Информатика. Теория и практика_Острейковский В.А_2008

ÂРоссии так называемые русские счеты — в их основе лежит десятичная система счисления — появились в XVI в. До XVII в. счеты оставались практически единственным счетным инструментом.

Â1$1" г математик Дж. Непер изобрел логарифмы. Открытие Непера состояло в том, что таким способом можно выразить любое число и что сумма логарифмов двух любых чисел равна логарифму произведения этих чисел. Это дало возможность свести действие умножения к более простому действию сложения. Непер создал таблицы логарифмов. Чтобы перемножить два числа, нужно найти в этой таблице их логарифмы, сложить их и отыскать число, соответствующее этой сумме,

âобратной таблице — таблице антилогарифмов. На основе этих таблиц в 1$#" г. Р. Биссакар и в 1$#% г. — независимо от него —

Ñ.Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку — основной счетный прибор инженера до середины XX в.

Â1$"2 г. Блез Паскаль изобрел механическую суммирующую машину, использующую десятичную систему счисления. Каждый десятичный разряд представляло колесико с десятью зубцами, обозначавшими цифры от 0 до '. Всего колесиков было восемь, т. е. машина Паскаля была восьмиразрядной.

Â1$%! г. Готфрид Лейбниц построил механический арифмометр, выполнявший все четыре арифметических действия. В нем использовалась двоичная система счисления.

Â1&0" г. Жозеф Жаккар создал ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался

ñпомощью целой колоды перфокарт — прямоугольных карто- чек из картона. На них информация об узоре записывалась пробивкой отверстий (перфораций), расположенных в определенном порядке. При работе машины эти перфокарты «ощупывались» специальными штырями. Именно таким механическим способом с них считывалась информация для плетения запрограммированного узора ткани. Машина Жаккара явилась прообразом машин с программным управлением, созданных в XX в.

Â1&20 г. Тома де Кольмар разработал первый коммерче- ский арифмометр, способный умножать и делить. Арифмометры получили широкое распространение при выполнении сложных расчетов.

201

Â&!0 г. Чарльз Бэббидж попытался создать универсальную аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого в нее вводились программы, заранее записанные на перфокарты из плотной бумаги посредством отверстий, сделанных на них в определенном порядке. Принципы программирования для аналитиче- ской машины Бэббиджа разработала в &"! г. Ада Лавлейс — дочь английского поэта Байрона.

Аналитическая машина должна была запоминать данные

èпромежуточные результаты вычислений, т. е. иметь память. Эта машина содержала три основные части: устройство для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес (память), устройство для операций над числами (арифметическое устройство) и устройство для операций над числами с помощью перфокарт (устройство программного управления). Работа по созданию аналитической машины не была завершена, но заложенные идеи помогли в XX в. построить первые компьютеры (напомним: в переводе с английского «компьютер» озна- чает «вычислитель»).

Â&&0 г. в России Вильгодт Однер изобрел механический арифмометр с зубчатыми колесами, а в &'0 г. начался его массовый выпуск. Под названием «Феликс» этот арифмометр выпускался вплоть до '#0 г.

Â&&& г. Герман Холлерит создал первую электромеханиче- скую счетную машину — табулятор, в котором нанесенная на перфокарты информация расшифровывалась электрическим током. В &'0 г. изобретение Холлерита было впервые использовано во второй американской переписи населения. Работа, которую #00 сотрудников раньше выполняли целых семь лет, Холлерит с "! помощниками на "! табуляторах выполнили всего за один месяц.

Â'!% г. Джордж Стибиц из обыкновенных электромехани- ческих реле создал двоичный сумматор — устройство, способное выполнять операцию сложения чисел в двоичном коде. И сегодня двоичный сумматор является одним из главных компонентов любого компьютера, основой его арифметического устройства.

Â'!%— '"2 гг. Джордж Атанасофф работал над моделью вычислительной машины на вакуумных электронных лампах.

202

В ней использовалась двоичная система счисления. Для ввода данных и вывода результатов вычислений применялись перфокарты. В '"2 г. работа над этой машиной была практически завершена, но из-за войны финансирование исследований прекратилось.

Â'3% г. Конрад Цузе сконструировал на основе электромеханических реле свою первую вычислительную машину — Z . Исходные данные вводились в нее с помощью клавиатуры,

àрезультат вычислений высвечивался на панели с множеством электрических лампочек. В '3& г. К. Цузе создал усовершенствованную модель — Z2. Программы в нее вводились с помощью перфоленты. Перфоленту изготавливали, пробивая отверстия в использованной 3#-миллиметровой фотопленке. В '" г.

Ê.Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее — и Z", основанный на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет. В '"2 г. Конрад Цузе и Хельмут Шрайер задумали перевести Z3 c электромеханических реле на вакуумные электронные лампы. Такая машина должна была работать в тысячу раз быстрее, но создать ее не удалось — помешала война.

Â'"3— '"" гг. на одном из предприятий в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета во главе с Говардом Эйкеном была создана вычислительная машина «Марк- ». Весила она около 3# т. В «Марк- » использовались идеи, заложенные Ч. Бэббиджем в его аналитической машине. В отличие от Стибица и Цузе, Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления и в своей машине использовал десятичную систему. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух таких чисел ей было необходимо

затратить " с. В '"% г. была создана машина «Марк-2», в которой использовалась уже двоичная система счисления. В этой машине операции сложения и вычитания занимали в среднем 0, 2# с, а умножение — 0,2# с.

Электромеханические реле работали слишком медленно. Поэтому уже в '"3 г. американцы начали разработку вычислительной машины на основе электронных ламп. В '"$ г. Преспер Эккерт и Джон Мочли построили первую электронную цифровую вычислительную машину — ENIAC. Ее вес составлял 30 т, она занимала площадь %0 м2. Вместо огромного числа элек-

203

тромеханических реле, в ENIAC работало & тыс. электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила #000 операций сложения или !00 операций умножения в секунду. На электронных лампах было построено не только арифмети- ческое, но и запоминающее устройство. Числовые данные вводились с помощью перфокарт, а программы — с помощью штекеров и наборных полей, т. е. для каждой новой программы приходилось соединять тысячи контактов. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось несколько дней, хотя сама задача решалась за несколько минут. Это был один из основных недостатков машины.

3.5.2.Поколения ЭВМ

Âистории развития ЭВМ выделяют пять этапов, соответствующих пяти поколениям ЭВМ.

Период машин первого поколения начинается с переходом

êсерийному производству ЭВМ в начале '#0-х гг. В них были реализованы основные принципы, предложенные Джоном фон Нейманом (см. параграф !. .!):

1.Принцип хранимой программы. Машина имеет память,

âкоторой хранятся программа, данные и результаты промежуточных вычислений. Программа вводится в машину, так же как и данные, в виде двоичных кодов (а не штекерным методом, т. е. коммутацией проводов в определенной последовательности).

2.Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти числа находятся.

3.Автоматизм. После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Для этого машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть одним из трех типов: неявным (перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой), безусловным (перейти к команде по заданному адресу), условным (проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу).

204

4. Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

Структура ЭВМ, в которой реализованы принципы фон Неймана, впоследствии получила название структуры его имени (или классической). Все дальнейшее развитие ЭВМ шло двумя путями: совершенствование структуры фон Неймана и поиск новых структур.

Технической основой элементной базы процессоров первого поколения ЭВМ были электронные вакуумные лампы (ЭВЛ), а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Это были громоздкие машины, занимающие много места и потребляющие много электроэнергии. Они делали несколько тысяч операций в секунду и обладали памятью в несколько тысяч машинных слов. Такие машины предполагали монопольный режим использования, т. е. в распоряжении пользователя были все ресурсы машины и ее управление. Программист писал свою программу

âмашинных кодах и отлаживал ее за пультом машины, которая на время отладки была полностью в его распоряжении. При этом '0 % времени машина простаивала в ожидании команд, т. е. использование машинных ресурсов было малоэффективным из-за отсутствия развитой операционной системы. Использовались ЭВМ первого поколения в основном для науч- ных расчетов.

Первой отечественной ЭВМ была МЭСМ (малая электронная счетная машина), разработанная в '"%— '5 гг. под руководством академика С.А. Лебедева. В '52 г. была введена

âэксплуатацию БЭСМ (большая электронная счетная машина), созданная также под его руководством. В '55 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал- » (руководитель проекта Б.И. Рамеев). Примером зарубежной серийной модели ЭВМ является IBM-%0 (ÑØÀ).

Второе поколение ЭВМ (конец '50-х — середина '$0-х гг.) называют транзисторно-ферритовым, так как транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники — электрон- но-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах.

Применение транзисторов существенно повлияло на характеристики и структуру машин. Транзисторные схемы позволи-

205

ли на порядок повысить плотность монтажа электронной аппаратуры и существенно (на несколько порядков) снизить потребление электроэнергии. Срок службы транзисторов на два-три порядка превосходил срок службы электронных ламп. Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память — до десятков тысяч машинных слов.

Создание долговременной памяти на магнитных дисках и лентах, а также возможность подключения к ЭВМ изменяемого состава внешних устройств существенно расширили функциональные возможности вычислительных машин.

В организации вычислительного процесса также были крупные достижения — это совмещение во времени вычислений

èввода-вывода информации, переход от монопольного режима использования ресурсов машины к пакетной обработке. Задания для ЭВМ (на перфокартах, магнитных лентах или дисках) собирались в пакет, который обрабатывался без перерыва между заданиями. Это позволило более экономно использовать ресурсы машины.

Были разработаны методы программирования в символи- ческих обозначениях, созданы первые алгоритмические языки

èтрансляторы с этих языков, библиотеки стандартных программ.

Наиболее широкое применение нашли отечественные ЭВМ БЭСМ-", М-220, «Минск-!2». Типичным представителем зарубежной ЭВМ второго поколения является IBM-%0'0.

Третье поколение ЭВМ (конец '60-х — начало '%0-х гг.) характеризуется появлением в качестве элементной базы процессора интегральных полупроводниковых схем (вместо отдельных транзисторов), что привело к дальнейшему увеличе- нию скорости до миллиона операций в секунду и памяти — до сотен тысяч слов.

ЭВМ третьего поколения также характеризуются крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств

(алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители и т. п.) с использованием стандартных средств сопряжения и развитая операционная система, обеспечивающая работу в мультипрограммном режиме (несколько одновременно размещаемых

206

âоперативной памяти программ совместно используют ресурсы процессора). Метод использования ресурсов ЭВМ — режим разделения времени совместно с пакетной обработкой. Высокое быстродействие позволяет разбить на кванты время обслуживания пользователей, обрабатывать в течение кванта задание каждого и возвращаться к пользователю за такое малое время, что у него создается иллюзия, будто он один пользуется ресурсами машины.

Решающее значение в развитии вычислительной техники во всем мире сыграло создание семейства вычислительных машин на интегральных схемах с широким диапазоном вычислительной мощности и совместимых снизу вверх на уровне машинных языков, внешних устройств, модулей конструкции и системы элементов. Программная совместимость снизу вверх машин одного и того же семейства предполагает, что любая программа, выполнявшаяся на «младшей» машине, должна без всяких переделок выполняться на «старшей».

Широкое распространение получили также семейства ми- ни-ЭВМ. Сущность их конструкторского решения состояла

âтакой минимизации аппаратуры центрального процессора, которая позволила на уровне технологии того времени создать универсальные ЭВМ, способные осуществлять управление в реальном масштабе времени, при котором темп выдачи управляющих воздействий на объект управления согласован со скоростью протекания процессов в этом объекте.

Âнашей стране в период машин третьего поколения была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ), в основных чертах копирующая IBM-!$0 и IBM-!70, а также серия мини-ЭВМ (СМ ЭВМ), ориентированная на зарубежные модели. Вклад отечественной науки в мировое развитие электронной вычислительной техники в этот период связан с промышленным внедрением многопроцессорной ЭВМ М- 0.

Âпериод машин третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения ЭВМ. Если раньше они использовались в основном для научно-технических расчетов, то в '$0—'70-е гг. первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

Машины серии ЕС ЭВМ имели универсальное назначение, а основной областью применения СМ ЭВМ была автоматиза-

207

ция технологических процессов, научных экспериментов, испытательных установок и проектно-конструкторских работ.

Переход к машинам четвертого поколения — ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) — происходил во второй половине '%0-х гг. и завершился приблизительно к '80 г. Теперь на одном кристалле размером см2 стали размещаться сотни тысяч электронных элементов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз, по сравнению с машинами первого поколения, и составили примерно 0' îï/ñ è 0% слов соответственно.

Характерные особенности машин четвертого поколения — тесная связь аппаратной и программной реализаций в структуре машины, отход от принципа минимизации аппаратуры и поручение ей функций программы, что стало возможным благодаря относительно низкой стоимости БИС.

Развитие архитектуры ЭВМ в период машин четвертого поколения привело к появлению структур, в которых вычислительный процесс может протекать по нескольким ветвям параллельно, что приводит к увеличению производительности вы- числительных машин. Идея параллелизма была технически реализована в многопроцессорных системах, состоящих из двух или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью и управляемых общей операционной системой.

В результате возросшего быстродействия ЭВМ стало возможным расширить оперативную память за счет введения виртуальной памяти, основанной на страничном обмене информацией между внешней и основной памятью.

Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе — микроЭВМ. Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего размещения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микроЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых электроприборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы. МикроЭВМ используются в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

208

Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров, широкое распространение которых качалось с 9%# г., когда фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM РС. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM РС) составляют около 90 % всех производимых в мире ПК. В ПК реализован принцип открытой архитектуры, который означает, что по мере улучшения характеристик основных блоков ПК можно легко заменить устаревшие части, а модернизированный блок будет совместим с ранее используемым оборудованием. В числе других преимуществ ПК — развитые средства диалога, высокая надежность, удобство эксплуатации, наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности.

Начали серийно производиться и суперЭВМ. Рост степени интеграции БИС стал технологической основой производительности ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше млрд операций в секунду. К числу наиболее значительных разработок машин четвертого поколения относится ЭВМ «Крей-!» (США), спроектированная на основе принципиально новой технологии — замены кремниевого кристалла арсенидом галлия и имеющая производительность до $ млрд операций в секунду. Примером отечественной суперЭВМ является многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус» с быстродействием до ,2 08 îï/ñ.

С конца 1980-х гг. в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения ЭВМ. Технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего, их структура и архитектура отличаются от фоннеймановской (классической). Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Даже скорость предполагается выражать в единицах логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке, и в будущем дисциплина «Программирование» как наука для пользователя перестанет быть актуальной. Важное место в структуре ЭВМ занимает блок базы знаний, в котором хранятся знания, накопленные человечеством в раз-

209

личных предметных областях; знания постоянно расширяются и пополняются. Следующий блок, называемый решателем, организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний, и исходных данных, полу- ченных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности.

В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко используются модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта.

3.5.3. Перспективы развития ПЭВМ

Перспективы развития персональных компьютеров во многом определяются функциональными возможностями, техни- ко-эксплуатационными характеристиками и архитектурным построением микропроцессоров (МП).

Âнастоящее время крупнейшим мировым производителем МП является фирма Intel. Последние модели этой фирмы — МП Pentium применяются в мощных настольных ПЭВМ, рабочих станциях и многопроцессорных серверах.

Âнастоящее время нашли широкое применение транспьютеры. Они, как правило, используются в качестве сопроцессоров и рассчитаны на работу в параллельных системах с однотипными процессорными элементами и аппаратной поддержкой вычислительных процессоров. В состав системы команд транспьютеров входят команды управления процессами, поддержки инструкций, языков высокого уровня. Транспьютеры используют быстрые коммуникационные каналы, которые позволяют по одной магистрали передавать данные в процессор,

àпо другой (одновременно) — данные из него. Высокая производительность обеспечивается прежде всего за счет высокой скорости работы АЛУ и передачи операндов.

Âсовременных МП широко применяются кэш- и виртуальная память, что по функциональным возможностям приближает ПЭВМ к большим ЭВМ. В ПЭВМ стали использовать многозадачный режим работы, динамическое распределение памяти, системы ее защиты.

На отечественном компьютерном рынке появилось немало разнообразных моделей ПЭВМ. Однако большинство из них

210