Лекция 4. История развития вычислительной техники. Классификация компьютеров. Состав вычислительной системы. Аппаратное и программное обеспечение. Классификация служебных и прикладных программных средств

История развития вычислительной техники

Первыми счетными устройствами были механические устройства. В 1642 году французский механик Блез Паскаль разработал компактное суммирующее устройство – механический калькулятор.

В 1673 г. Немецкий математик и философ Лейбниц усовершенствовал его путем добавления операций умножения и деления. На протяжении 18 века разрабатывались все более совершенные, но по-прежнему механические вычислительные устройства на основе зубчатых, реечных, рычажных и других механизмов.

Идея программирования вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Такое программирование было жестким: одна и та же операция выполнялась в одно и то же время (пример – работа станка по копиру).

Идея гибкого программирования вычислительных операций была высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем в 1836-1848 гг. Особенностью его аналитической машины был принцип разделения информации на команды и данные. Однако проект не был реализован.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью поэта Байрона Адой Лавлейс (1815-1852), очень схожи с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. Эту замечательную женщину назвали первым программистом мира.

При переходе от режима регистрации положений механического устройства к режиму регистрации состояний элементов электронного устройства десятичная система стала неудобной, т. к. состояний элементов только два: включено и выключено.

Возможность представления любых чисел в двоичной форме была впервые высказана Лейбницем в 1666 году.

Идея кодирования логических высказываний в математические выражения:

• истина (True) или ложь (False);

• в двоичном коде 0 или 1,

была реализована английским математиком Джорджем Булем (1815-1864) в первой половине XIX века.

Однако разработанная им алгебра логики "алгебра Буля" нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. "Соединил" математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в своей знаменитой диссертации (1936 г.).

В логической алгебре при создании ЭВМ используются в основном 4 операции:

• И (пересечение или конъюнкция - A^B);

• ИЛИ (объединение или дизъюнкция - AvB);

• НЕ (инверсия - |A);

• ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (A*|B+|A*B).

Конъюнкция A^B Дизъюнкция AvB

Инверсия |A Исключающее ИЛИ

(A*|B+|A*B)

В 1936 г. Английский математик А. Тьюринг и, независимо от него Э. Пост, выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации.

В 1946 г. Джоном фон Нейманом, Голдстайном и Берксом (Принстонский институт перспективных исследований) был составлен отчет, который содержал детальное описание принципов построения цифровых ЭВМ, которые используются до сих пор.

1. В архитектуру ЭВМ Джона фон Неймана входят:

   1. центральный процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ);

   2. память: оперативная (ОЗУ) и внешняя;

   3. устройства ввода;

   4. устройства вывода.

2. Принципы работы ЭВМ, предложенные фон Нейманом:

   1. однородность памяти;

   2. программное управление;

   3. адресность.

Бурное развитие вычислительных систем началось в 60-х годах 20 века с отказом от электронных ламп и развитием полупроводниковой, а затем и лазерной техники.

Эффективность ЭВМ (компьютеров) значительно выросла в 70-х годах 20 века с разработкой процессоров на базе интегральных микросхем.

Качественный скачок в развитии компьютеров произошел в 80-х годах XX века с изобретением персонального компьютера и развитием всемирной информационной сети - интернета.

Можно выделить основные поколения ЭВМ и их характеристики:

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ	ХАРАКТЕРИСТИКИ
	1	2	3	4	5
Годы применения	1955 – 60 гг.	1960 – 65 гг.	1965 – 70 гг.	1970 – 90 гг.	С 1990 г. по настоящее время
Основной элемент	Электронная лампа	Транзистор	ИС (1400 эл-тов)	Большая ИС (десятки тыс. эл-тов)	Большая ИС (миллионы эл-тов)
Пример ЭВМ	IBM 701 (1952 г.)	IBM 360-40 (1964 г.)	IBM 370-145 (1970 г.)	IBM 370-168 (1972 г.)	IBM Server z990 (2003 г.)
Быстродействие, опер./сек	8 000	246 000	1 230 000	7 700 000	9 000 000 000
Ёмкость ОЗУ, байт	20 480	256 000	512 000	8 200 000	256 000 000 000
Примечание	Шеннон, фон Нейман, Норберт Винер	Языки ФОРТРАН, КОБОЛ, АЛГОЛ	Миникомпьютер, ОС MS DOS, ОС Unix, сеть	PC, графические ОС, интернет	Искусственный интеллект, распознавание речи, лазер

Классификация компьютеров

1. По назначению:

• суперкомпьютеры;

• серверы;

• встроенные компьютеры (микропроцессоры);

• персональные компьютеры (ПК).

Суперкомпьютеры - вычислительные центры - создающиеся для решения предельно сложных вычислительных задач (моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации, составления прогнозов и т. п.).

Серверы (от английского слова serve обслуживать, управлять) - компьютеры, обеспечивающие работу локальной или глобальной сети, специализирующиеся на оказании информационных услуг и обслуживании компьютеров крупных предприятий, банков, учебных заведений и т. п.

Встроенные компьютеры (микропроцессоры) получили массовое распространение в производстве и бытовой технике, где управление может быть сведено к выполнению ограниченной последовательности команд (роботы на конвейере, бортовые, интегрированные в бытовую технику и т. п.)

Персональные компьютеры (PC) предназначены для работы одного человека, поэтому применяются повсеместно. Их рождением считается 12 августа 1981 г., когда корпорация IBM представила их первую модель. PC совершили компьютерную революцию в жизни миллионов людей и оказали огромное влияние на развитие человеческого общества.

PC разделяются на массовые, деловые, портативные, развлекательные, а также рабочие станции.

Стандарты PC:

• Consumer PC (массовый);

• Office PC (деловой);

• Entertainment PC (развлекательный);

• Workstation PC (рабочая станция);

• Mobile PC (портативный).

Большинство PC – массовые.

Деловые (офисные) PC содержат профессиональные программы, но в них минимизированы требования к графическим средствам и средствам воспроизведения звука.

В развлекательных PC широко представлены средства Multimedia.

В рабочих станциях повышены требования к хранению данных.

Для портативных обязательным является наличие средств доступа в компьютерную сеть.

2. По уровню специализации:

• универсальные;

• специализированные (примеры: файл-сервер, Web-сервер, сервер печати и т. п.).

3. По типоразмерам:

• настольные (desktop);

• носимые (notebook, iPad);

• карманные (palmtop);

• мобильные вычислительные устройства (PDA - personal digital assistant), сочетающие в себе функции palmtop и сотовых телефонов.

4. По аппаратной совместимости:

• IBM PC;

• Apple Macintosh.

5. По типу процессора:

• Intel (в персональных компьютерах фирмы IBM);

• Motorola (в персональных компьютерах фирмы Macintosh).

Состав вычислительной системы

Рассматривают аппаратную и программную конфигурацию, т. к. часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критерием в каждом случае является эффектив­ность работы.

Считается, что повышение эффективности работы за счёт развития аппаратных средств оказывается в среднем дороже, зато реализация решений программным путём требует высокой квалификации персонала.