«Пальцевой счёт» - Древние Египтяне. Абак. Счет дюжинами. Счет десятками. Пальцевый счет. Указательный и большой палец. Название числа. Умножение двузначных чисел. Поверья. Развитие пальцевого счета. Записи вычислений. Способы счета. Как считали сороками. Конек-Гобунок. Появление счета на пальцах. Начало счета. Пальцевый счет сегодня.

«Задания для устного счёта» - Нахождение значений математических выражений. Развитие познавательных интересов к предмету. Материалы устного счета по физике. Требования. Математика. Сравнение математических выражений. Устный счет. Дифференциация. Формы восприятия устного счета. Тренажерные задания. Межпредметная линия. Решение уравнений.

«Формирование вычислительных навыков» - Технология совершенствования вычислительных навыков. Задания-тренажёры. Способы быстрого сложения и вычитания натуральных чисел. Уровень подготовленности и развития каждого ученика. Основная задача технологии. Способы быстрых вычислений. Умножение двузначного числа на 111. Умножение на 9, 99, 999. Все виды заданий тренажёра разбиты на отдельные части.

«Приёмы устного счёта» - Олег Степанов. Число. Материал для тренинга. Двузначное число. Округление. Вопрос. Феноменальные способности. Этапы исследования. Без карандаша и бумаги. Диагностика. Карл Фридрих Гаусс. Ученик. Иноди. Умножить. Быстрое умножение. Лидоро. Урания Диамонди. Картина. Арраго. Шакунтала Деви. Вычисления.

«Счёт на пальцах» - Значит, и англичане когда-то считали по пальцам. И сейчас есть племена, которые говорят "две руки" вместо "десять" и "руки и ноги" вместо "двадцать". Пальцы оказались настолько тесно связанными со счетом, что на древнегреческом языке понятие "считать" выражалось словом "пятерить".

«Математика «Устный счёт»» - Самостоятельная работа. Стоимость. Таблица умножения. Звонок. Примеры. Зарядка для глаз. Пропущенные числа. Пальчиковая гимнастика. Устный счёт. Количество. Задачи. Проверка. Нужный знак. Классная работа. Урок математики. Длины отрезков. Таблица. Настроение.

Всего в теме 24 презентации

Зрители поднимают руки и выкрикивают только что придуманные числа. Или пишут их на доске, на табличках. В это время на арене стоит артист, который мгновенно складывает их, вычитает, умножает - делает все, что бы ни захотела публика.

Такие вот живые «калькуляторы» тоже весьма популярны в цирке. Они вызывают восхищение не только способностью произвести в уме сложные вычисления, но и скоростью. Только что на доске белел столбик из трех- и четырехзначных чисел, а уже через несколько секунд человеческий счетчик выдал результат.

Но что же стоит за поразительными способностями?

Упорный труд с самого детства. Как правило, способность быстро и легко считать в уме обнаруживается еще в раннем возрасте. Так было в случае с Вовочкой Зубрицким - семилетним мальчиком, который выступал в в Петербурге. После этого артист начинает ее развивать. Вначале он складывает простые числа, которые видит перед глазами на листке бумаги. Как только он это осваивает в совершенстве, числа становятся больше, столбик увеличивается, ему требуется быстро произвести несколько действий: сложить, умножить, извлечь корень.

Владимир Зубрицкий

Значения были большими, но времени на их подсчет давалось все меньше. Так цирковые «математики» учились, вскользь посмотрев на числа, быстро их просчитать в уме, запомнить количество, цвет и расположение нужных предметов. Даже если на решение задачи ему давалось всего несколько секунд, «феноменальная» зрительная память позволяла ему видеть эти цифры в уме. А значит, исписанные доска или лист бумаги ему уже были не нужны.

Известными счетоводами, перед которыми преклонялись даже цифры, были всемирно невероятные Роман Арраго, Хейфиц, Яков Острин с женой и ассистенткой Маргаритой Ждановой. Одно можно сказать точно: все они обладали колоссальной зрительной памятью. Но без многолетних тренировок образцами для подражания они бы не стали.

Заказать написание уникльной работы

" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Лекция 2. Эволюция вычислительной техники

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Теория эволюции компьютеров

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Современное состояние вычислительной техники (ВТ) являет собой результат многолетней эволюции. В последнее время вопросы развития ВТ стали предметом особо пристального внимания ученых, свидетельством чего служит активно развивающаяся новая область знаний, получившая название «Теория эволюции компьютеров» (Computer evolution theory).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Создатели теории обратили внимание на сходство закономерностей эволюции вычислительной техники и эволюции в биологии. В основу новой науки положены следующие постулаты:

• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">самозарождение «живых» вычислительных систем из «неживых» элементов (в биологии это явление известно как абиогенез);
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">поступательное продвижение по древу эволюции — от протопроцессорных (однопроцессорных) вычислительных машин к полипроцессорным (многопроцессорным) вычислительным системам;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">прогресс в технологии вычислительных систем как следствие полезных мутаций и вариаций;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">отмирание устаревших технологий в результате естественного отбора;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">закон Мура как подтверждение эволюции вычислительных систем.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">По мнению специалистов в области теории эволюции компьютеров, изучение закономерностей развития вычислительных машин и систем может, как и в биологии, привести к ощутимым практическим результатам.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Закон Мура

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">19 апреля 1965 г., в журнале «Electronics» (vol. 39, № 8) в рубрике «Эксперты смотрят в будущее» вышла ныне всемирно знаменитая статья Гордона Мура (Gordon Moore) «Cramming more components onto integrated circuits» (Объединение большего количества компонентов в интегральных схемах). В этой статье Мур (будущий сооснователь корпорации Intel), работавший тогда директором отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет на основании анализа шестилетнего развития микроэлектроники, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Существует несколько интерпретаций закона Мура:

• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">наиболее выгодное число транзисторов на кристалле удваивается каждый год;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">число транзисторов в производимых чипах удваивается каждые два года;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">технологически возможное число транзисторов на кристалле микропроцессора удваивается каждые два года;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">производительность микропроцессоров удваивается каждые 18 мес.;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">тактовая частота микропроцессоров удваивается каждые 18 мес.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Справедливости ради, следует признать, что так называемый закон Мура не выполняется с точностью, достаточной для того, чтобы считать его не только законом, но и эмпирической зависимостью.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Дуализм в развитии техники

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Развитие человека и общества неразрывно связано с прогрессом в технике вообще и технике для вычислений, в частности. Имела и имеет место тенденция к постоянному усилению физических и вычислительных возможностей человека путем создания орудий, машин и систем машин. Установился своеобразный ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">дуализм в развитии техники ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">, который иллюстрируется двумя эволюционными «рядами»:

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="-none-" lang="-none-">Физический ряд

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="-none-" lang="-none-">Вычислительный ряд

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В истории вычислительной техники (ВТ) ясно выделяются два периода:

1. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">простейшие механические и электромеханические приборы и машины для вычислений (можно назвать «предысторией» или «древней историей»);
2. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">ЭВМ и параллельные вычислительные системы («новая и новейшая история»).

Механическая эра вычислений

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Арифмометры

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Арифмометр ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> (от греч. arithmos – число и metrov – мера, измеритель) – настольная механическая счетная машина с ручным управлением для выполнения четырех арифметических действий.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Хронология:

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">1492 год. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> В одном из своих дневников Леонардо да Винчи приводит рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе зубчатых колес.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">1642 год. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623–1663) представляет «Паскалин» — первое реально осуществленное и получившее известность механическое цифровое вычислительное устройство. Прототип устройства суммировал и вычитал пятиразрядные десятичные числа.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">1673 год. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> Готфрид Вильгельм Лейбниц (Gottfried Wilhelm Leibniz, 1646–1716) создает «пошаговый вычислитель» — десятичное устройство для выполнения всех четырех арифметических операций над 12-разрядными десятичными числами.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">1786 год. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> Немецкий военный инженер Иоганн Мюллер (Johann Mueller, 1746–1830) выдвигает идею «разностной машины» — специализированного калькулятора для табулирования логарифмов, вычисляемых разностным методом.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Широкое распространение имел арифмометр, сконструированный в ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">1874 г. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> петербургским механиком В.Т. Однером. Производство таких арифмометров было налажено и в России (1890 г.), и за рубежом. Арифмометр В.Т. Однера послужил прототипом последующих моделей (в частности, для модели «Феликс», выпускавшейся в СССР до 60-х годов прошлого столетия).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Следует подчеркнуть, что любой ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">арифмометр обеспечивал не автоматизацию, а лишь механизацию вычислений ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> (благодаря таким средствам как счетчик и регистры).

Счетно-аналитические машины

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Счетно-аналитические машины появились в конце 19 и начале 20 веков.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Были ВМ для выполнения бухгалтерских и финансово-банковских операций, статистические ВМ, машины для решения задач вычислительной математики.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В таких машинах не только был достигнут максимальный уровень механизации вычислений, но и была заложена возможность автоматизации при вводе чисел и при реализации целых серий операций. В них использовались перфокарты для ввода данных и для управления работой.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Счетно-аналитические машины – это комплекты, включавшие:

1. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">машины для выполнения арифметических действий над числами, нанесенными на перфокарты:

• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">суммирующие машины (табуляторы),
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">множительные машины (умножающие перфораторы или мультиплееры);

1. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">машины (сортировальные и раскладочные или сортировально-раскладочные) для реализации информационно-логических операций: классификации, выборки карт с нужными числами и признаками, расположения карт в определенном порядке, сравнение чисел и т.п.;
2. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">перфораторы, т.е. машины, которые позволяли человеку наносить на карты отверстия (выполнять перфорирование карт);
3. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">вспомогательные машины; например, контрольные аппараты, репродукторы для переноса пробивок с одних карт на другие.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Первая вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений была создана в России в 1904 г. кораблестроителем, механиком и математиком А.Н. Крыловым (1863 – 1945; академик Петербургской АН с 1916 г.).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Конкретный комплекс счетно-аналитической техники может состоять из различного числа устройств, но в него обязательно входят следующие четыре устройства: входной перфоратор, контрольник, сортировальная машина и табулятор. Перфоратор служит для пробивки отверстий в перфокартах, а контрольник - для проверки правильности этой пробивки, т. е. правильности перенесения информации с исходного документа на перфокарту. Обычно контрольник конструируется на основе перфоратора с заменой пробивного устройства воспринимающим. Основной функцией сортировальной машины является группировка перфокарт по признакам для дальнейшей обработки на табуляторе. Разновидностью сортировальной машины является счетно-сортировальная, т. е. имеющая приспособление для подсчета перфокарт в каждой группе.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Основная машина счетно-аналитического комплекса - табулятор. Независимо от конструкции его обязательными частями являются механизмы, обеспечивающие подачу перфокарт, восприятие пробивок, счет пробивок и печатание результатов, а также устройство управления.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Наряду с перечисленными в состав счетно-аналитического комплекса могли входить так называемые дополняющие, или специальные, машины, в том числе итоговые перфораторы (для перфорации новых перфокарт по итоговым данным табулятора); перфораторы-репродукторы (для дублирования перфокарт, а также работы в качестве итоговых перфораторов при их соединении с табуляторами); вычислительные приставки к табуляторам и т. д.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">К 1930 г. общее число счетно-аналитических комплексов в мире достигло 6-8 тыс. штук. В начальный период развития перфорационной техники она применялась главным образом в статистике. Со временем все более возрастает применение для бухгалтерского учета, и например, в 40-е годы в СССР в статистике использовалось около 10% счетно-аналитических машин, а более 80% - в бухгалтерском учете.

Вычислительная машина Ч.Беббиджа

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Идея создания универсальной большой вычислительной машины (Great Calculating Engine) принадлежит профессору математики Кембриджского университета (Великобритания), члену Лондонского Королевского Общества Чарльзу Беббеджу (Charles Babbage, 1792 – 1871; чл.-корр. Петербургской АН с 1832 г). По сути он имел замысел создать ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">автоматический ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> механический цифровой компьютер (или, говоря иначе, арифмометр с программным управлением). Проект ВМ был разработан в 1833 г.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Механическая машина Ч. Беббеджа по своей функциональной структуре была достаточно близка к первым электронным ВМ. В изучаемой ВМ предусматривались арифметическое и запоминающие устройства, устройства управления и ввода-вывода информации. Автоматизация вычислений обеспечивалась устройством управления, которое работало в соответствии с программой – последовательностью закодированных действий на перфокартах. В машину Ч. Беббеджа закладывалась возможность изменять ход программы в зависимости от полученного результата (на современном языке – команда условного перехода).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Машина должна была быть построена из нескольких тысяч счетных колес, иметь запоминающее устройство емкостью 1000 50-разрядных чисел и встроенные таблицы логарифмов и других элементарных функций. Она должна была размещаться на площади в несколько квадратных метров.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В 1835 г. была построена простейшая конфигурация ВМ, которая применялась для логарифмирования и решения алгебраических уравнений. Как писали современники, машина отыскивала решения уравнений за минуты (в сравнении с опытным математиком, которому потребовались бы дни).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Проект Ч. Беббеджа опережал запросы времени, технические и технологические возможности реализации, он был дорогостоящим. Именно поэтому Британский Парламент в 1842 г. прекратил оплату проекта по гранту. Ч. Беббедж продолжал работу над проектом более 30 лет и разработал 239 детальных чертежей.

Вычислительные машины Конрада Цузе

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Модель ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Z1 ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> была построена в 1938 году; это ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">первый в мире цифровой механический компьютер с программным управлением ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">. Архитектурными особенностями ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Z1 ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">являлись также: двоичная кодировка и система представления чисел с плавающей запятой (или “полулогарифмическая” система, если использовать терминологию К. Цузе). При этом длина числа составляла 21 разряд, из которых 1 разряд отводился под знак числа, 7 разрядов предназначались для порядка и его знака, 13 разрядов – для мантиссы.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Вычислительная машина Z1 – по сути тестовая модель, которая никогда не применялась для практических целей. Эта машина была реконструирована в Берлине самим К.Цузе в 1980-х годах, сейчас она экспонируется в Берлинском музее транспорта и технологии.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Модель Z2 ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> была создана в 1940 году, в ней впервые были применены электро-механические реле. В машине Z2 арифметическое устройство и устройство управления были реализованы на реле, а память оставалась механической (от модели Z1).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Такая гибридная конфигурация ВМ была не достаточно надежной и практического применения не нашла.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Модель Z3 ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> – ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">первая в мире двоичная электромеханическая ВМ с программным ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">управлением. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> Работы по созданию машины Z3 были начаты в 1939 г., а ее монтаж был полностью завершен 5 декабря 1941 г.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Рассмотрим архитектурные возможности ВМ Z3. При этом, следуя традиции анализа компьютеров, приведем технические характеристики и функциональную структуру машины Z3.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Машина Z3 предназначалась для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, деления, извлечения квадратного корня и вспомогательных функций (в частности, двоично-десятичных преобразований чисел). Для представления чисел использовалась двоичная система с плавающей запятой. Длина числа – 22 двоичных разряда, из которых 1 разряд – знак числа, 7 разрядов – порядок или экспонента (в дополнительном коде), 14 разрядов – мантисса (в нормализованной форме). Быстродействие ВМ при выполнении сложения – 3 или 4 операции в 1 сек., а время умножения двух чисел составляло 4 – 5 сек.

Принципы фон-Неймана

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Архитектура фон Неймана (англ. Von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Каноническую функциональную структуру ЭВМ (выше на схеме), связывают с именем Дж. фон Неймана. Структура ЭВМ включает арифметико-логическое устройство (АЛУ), память или запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв) информации и устройство управления (УУ). Функциональное назначение устройств ЭВМ: АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными (операндами: числами или словами, в частности, буквенными последовательностями), а также операций условного и безусловного переходов; ЗУ используется для хранения программ и данных; УВв – для ввода программ и данных, а УВыв – для вывода из ЭВМ любой информации (в частности, результатов); УУ координирует работу всех остальных устройств при выполнении программ.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Конструкция ЭВМ основывается на предложениях, выдвинутых Дж. фон Нейманом (John von Neumann, 1903 – 57). Во время разработки машины EDVAC, в середине 1945 г., Дж. фон Нейман написал 100-страничный отчет, суммирующий результаты работ над ЭВМ. Этот отчет стал известен как первый “набросок” ("First Draft of a Report on the EDVAC"). Отчет был недописан, в нем не достает многих ссылок. Однако в своем отчете Дж. фон Нейман достаточно ясно изложил принципы работы и функциональную структуру ЭВМ ("the working principles and functional structure of modern computers"). Главное то, что он предложил отказаться от ручных переключателей, используемых при программировании ENIAC, и хранить программу работы ЭВМ в ее оперативном запоминающем устройстве (памяти) и модифицировать программу с помощью самой же машины.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Опишем архитектурные принципы построения ЭВМ.

1. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Программное управление работой ЭВМ ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">. Программы состоят из отдельных шагов – команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации.
2. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Условный переход ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений результатов (обычно в зависимости от знака результата после завершения арифметической операции или от результата выполнения логической операции).
3. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Принцип хранимой программы ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> предопределяет ее запоминание вместе с исходными данными в одной и той же оперативной памяти.
4. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Использование двоичной системы счисления ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">для представления информации в ЭВМ. Это существенно расширило номенклатуру физических приборов и явлений, для применения в ЭВМ.
5. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Иерархичность запоминающих устройств (ЗУ). ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">С самого начала развития ЭВМ существовало несоответствие между быстродействиями АУ и оперативной памяти. Иерархичность ЗУ в ЭВМ является важным компромиссом между емкостью, быстродействием, относительной дешевизной и надежностью.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Эти принципы Дж. фон Неймана, не смотря на свою простоту и очевидность, являются фундаментальными положениями, определившими на многие годы бурное развитие вычислительной техники и кибернетики.

Поколения ЭВМ

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ, обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, кардинально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений. Одной из таких идей принято считать концепцию вычислительной машины с хранимой в памяти программой, сформулированную Джоном фон Нейманом. Взяв ее за точку отсчета, историю развития ВТ можно представить в виде трех этапов:

1. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">До Неймановского периода;
2. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Эры вычислительных машин и систем с фон-неймановской архитектурой;
3. ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Пост Неймановской эпохи — эпохи параллельных и распределенных вычислений, где наряду с традиционным подходом все большую роль начинают играть отличные от фон-неймановских принципы организации вычислительного процесса.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Значительно большее распространение, однако, получила привязка поколений к смене технологий. Принято говорить о «механической» эре (нулевое поколение) и последовавших за ней пяти поколениях ВС. Первые четыре поколения традиционно связывают с элементной базой вычислительных систем: электронные лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интеграции (ИМС), большие (БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС) интегральные микросхемы. Пятое поколение в общепринятой интерпретации ассоциируют не столько с новой элементной базой, сколько с интеллектуальными возможностями ВС. Работы по созданию ВС пятого поколения велись в рамках четырех достаточно независимых программ, осуществлявшихся учеными США, Японии, стран Западной Европы и стран Совета экономической взаимопомощи. Ввиду того, что ни одна из программ не привела к ожидаемым результатам, разговоры о ВС пятого поколения понемногу утихают. Трактовка пятого поколения явно выпадает из «технологического» принципа. С другой стороны, причисление всех ВС на базе сверхбольших интегральных схем (СБИС) к четвертому поколению не отражает принципиальных изменений в архитектуре ВС, произошедших за последние годы. Чтобы в какой-то мере проследить роль таких изменений, воспользуемся несколько отличной трактовкой. Выделим шесть поколений ВС. Попытаемся кратко охарактеризовать каждое из них, выделяя наиболее значимые события.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Первое поколение (1937–1953)

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">На роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды претендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на базе электронно-вакуумных ламп вместо электромеханических реле. Предполагалось, что электронные ключи будут значительно надежнее, поскольку в них отсутствуют движущиеся части, однако технология того времени была настолько несовершенной, что по надежности электронные лампы оказались ненамного лучше, чем реле. Однако у электронных компонентов имелось одно важное преимущество: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз быстрее своих электромеханических аналогов.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Первой электронной вычислительной машиной чаще всего называют специализированный калькулятор ABC (Atanasoff–Berry Computer). Разработан он был в период с 1939 по 1942 год профессором Джоном Атанасовым (John V. Atanasoff, 1903–1995) совместно с аспирантом Клиффордом Берри (Clifford Berry, 1918–1963) и предназначался для решения системы линейных уравнений (до 29 уравнений с 29 переменными). ABC обладал памятью на 50 слов длиной 50 бит, а запоминающими элементами служили конденсаторы с цепями регенерации. В качестве вторичной памяти использовались перфокарты, где отверстия не перфорировались, а прожигались. ABC стал считаться первой электронной ВМ, после того как судебным решением были аннулированы патенты создателей другого электронного калькулятора — ENIAC. Необходимо все же отметить, что ни ABC, ни ENIAC не являются вычислительным машинами в современном понимании этого термина и их правильней классифицировать как калькуляторы.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Вторым претендентом на первенство считается вычислитель Colossus, построенный в 1943 году в Англии около Кембриджа. Изобретателем машины был профессор Макс Ньюмен (Max Newman, 1987–1984), а изготовил его Томми Флауэрс (Tommy Flowers, 1905–1998). Colossus был создан для расшифровки немецких кодов. В состав команды разработчиков входил также Алан Тьюринг. Машина была выполнена в виде восьми стоек высотой 2,3 м, а общая длина ее составляла 5,5 м. В логических схемах машины и в системе оптического считывания информации использовалось 2400 электронных ламп. Информация считывалась с пяти вращающихся длинных бумажных колец со скоростью 5000 символов/с.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Наконец, третий кандидат на роль первой электронной ВМ — уже упоминавшийся программируемый электронный калькулятор общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и вычислитель). Идея калькулятора, выдвинутая в 1942 году Джоном Мочли (John J. Mauchly, 1907–1980) из университета Пенсильвании, была реализована им совместно с Преспером Эккертом (J. Presper Eckert, 1919–1995) в 1946 году. С самого начала ENIAC активно использовался в программе разработки водородной бомбы. Машина эксплуатировалась до 1955 года и применялась для генерирования случайных чисел, предсказания погоды и проектирования аэродинамических труб.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Вычислительную машину ENIAC характеризовали следующие показатели: тактовая частота – 100 КГц; быстродействие – 5000 и 350 операций в секунду соответственно при сложении и умножении десятиразрядных десятичных чисел; количества электронных ламп и электромагнитных реле – 18000 и 1500, соответственно; потребляемая мощность – 150 киловатт; вес – 27 тонн; занимаемая площадь – 200 м ;font-family:"Times New Roman";vertical-align:super" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">2 ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">. Создание машины ENIAC оценивается в 486000 долл., эта сумма превысила начальный бюджет на 225%.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Машина ENIAC – это вручную перестраиваемая конфигурация, состоявшая из трех подсистем: управляющей, собственно вычислительной и ввода-вывода. Управляющая подсистема была представлена композицией из главного программного устройства (ГПУ) и двух дополнительных программных устройств (ДПУ). Вычислительная подсистема формировалась из 20 устройств накопления и суммирования (УНС), устройства умножения (УУМ), устройства деления и извлечения квадратного корня (УДК) и трех устройств хранения таблиц (УХТ). Подсистема ввода-вывода состояла из устройств ввода (УВв) и вывода (УВыв) информации.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на новую задачу, вручную изменив подключение 6000 проводов. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность машины чрезвычайно низка — поиск неисправностей занимал от нескольких часов до нескольких суток. По своей структуре ENIAC напоминал механические вычислительные машины. 10 триггеров соединялись в кольцо, образуя десятичный счетчик, который исполнял роль счетного колеса механической машины. Десять таких колец плюс два триггера для представления знака числа представляли запоминающий регистр. (Всего в ENIAC было 20 таких регистров - УНС). Система переноса десятков в накопителях была аналогична предварительному переносу в машине Бэббиджа.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Анализ ENIAC

Отметим архитектурные достоинства машина ENIAC:

• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">SIMD-архитектура, распределенность и иерархия средств управления, смешанный синхронно-асинхронный способ управления вычислениями;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">параллелизм при обработке данных (допускалась одновременная работа нескольких вычислительных устройств и параллельная обработка десятичных разрядов чисел);
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">ручная реконфигурируемость структуры (ручное программирование «неспециализированной» машины под структуру решаемой задачи);
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">однородность, модульность и масштабируемость (варьируемость количества устройств).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Итак, машина ENIAC обладала совокупностью архитектурных свойств, которые присущи современным высокопроизводительным параллельным вычислительным системам. Проект ENIAC опережал возможности элементной базы (ламповой электроники).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Если исходить из характеристик элементной базы 1940-х годов (а в то время ламповые элементы были самыми быстродействующими), то можно указать на следующие недостатки машины ENIAC:

• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">ручное («механическое») трудоемкое программирование ВМ под структуру решаемой задачей (такое программирование длилось несколько часов или даже дней);
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">низкая надежность, обусловленная применением большого числа ламп, электромагнитных реле, механических переключателей и кабелей, а также и ручным программированием структуры машины;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">малая емкость оперативной памяти (334 десятиразрядных десятичных чисел);
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">громоздкость и дороговизна машины (18000 электронных ламп, 486000 долларов!):
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">аппаратурная избыточность.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Машина ENIAC ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> – эта первая электронная ВМ, которая нашла практическое применение и была для своего времени инструментом решения сложных задач.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В 1945 году группой Д. Мочли выполнялись работы по конструированию машины EDVAC. В разработке с 1945 года принимал участие Дж. фон Нейман в качестве консультанта. В 1947 г. группа Д. Мочли распалась, тем не менее, другие специалисты Электротехнической школы Мура завершили проект. Машина EDVAC вступила в строй в 1950 г. (хотя усовершенствования вносились до 1952г.)

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Отметим некоторые показатели EDVAC: тактовая частота – 1 МГц (на порядок выше, чем в ENIAC); быстродействие – 1000 операций в секунду над 32-разрядными двоичными числами; емкость оперативной памяти – 32768 байт; количество электронных ламп – 3000.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Функциональная структура машины EDVAC

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Машина EDVAC состояла из центрального арифметического устройства (АУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), внешних запоминающих устройств (ВЗУ), входного и выходного узлов (УВх, УВых) и центрального управляющего устройства (УУ). В отличие от ENIAC данная ЭВМ была последовательной машиной, она не могла выполнять двух логических или арифметических операций одновременно. В то время это было технико-экономически обосновано.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Арифметическое устройство предназначалось для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, деления, извлечения квадратного корня, для преобразования чисел из двоичной системы счисления в десятичную и обратно, для пересылок чисел из одних регистров АУ в другие, а также между ОЗУ и регистрами АУ и для осуществления выбора ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">одного из двух чисел в зависимости от знака третьего числа ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">. Последняя операция использовалась для передачи управления ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">(условного перехода) ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> от одной команды программы к другой. Числа в АУ обрабатывались последовательно, начиная с последнего значащего разряда, и в каждый момент времени выполнялось только одна операция. Регистры АУ – это линии задержки на одно 32-разрядное двоичное слово.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Устройство управления предназначалось для координации работы остальных устройств ЭВМ, в частности, оно формировало поток команд в АУ. Синхронизация работы всех устройств ЭВМ осуществлялась от единого источника импульсов, названного “часами” (сейчас, это генератор тактовых или синхронизирующих импульсов).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В машине EDVAC первый двоичный разряд каждого слова использовался для идентификации команд и чисел, причем единица соответствовала команде, а нуль – числу. В EDVAC использовались одноадресные команды, для задания кода операции и адреса операнда в ОЗУ отводилось соответственно 8 и 13 разрядов.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Таким образом, машина ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">EDVAC была полностью автоматическим программируемым вычислительным средством ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Анализ машины EDVAC

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Машина EDVAC имела жесткую функциональную структуру. По своей архитектуре EDVAC относится к классу SISD (Single Instruction stream / Single Data stream), если следовать классификации М. Флинна. В EDVAC одиночный поток команд обрабатывал одиночный поток данных. Три поколения ЭВМ – это по сути эволюционные модификации машины с архитектурой SISD.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Подчеркнем архитектурные особенности машины EDVAC:

• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">SISD-архитектура, синхронный метод управления устройствами;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">автоматизация вычислений (возможность хранения программы в памяти и ее автоматической модификации);
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">последовательный способ обработки информации;
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">фиксированность структуры (невозможность даже ручного реконфигурирования, за исключением ВЗУ);
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">конструктивная неоднородность.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Архитектурные решения, положенные в основу ЭВМ, привели к простоте ее реализации: потребовалось около 3000 электронных ламп (вместо 18000 в ENIAC). Уровень сложности и достигнутые технические характеристики (показатели производительности, емкости памяти и надежности) ЭВМ вполне отвечали уровню техники и потребностям 50-х годов 20 столетия. В самом деле, машина EDVAC характеризовалась следующими параметрами:

• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">количество двоичных разрядов для представления чисел – 32,
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">тактовая частота – 1 МГц,
• ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">емкость оперативной памяти – бит = 32 Кбайт.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Несмотря на последовательный характер работы, вычислительная машина EDVAC не уступала по производительности ENIAC. Например, быстродействия ENIAC и EDVAC при выполнении операций умножения оценивались соответственно величинами: 357 опер./с (над 10-разрядными десятичными числами) и 1000 опер./с (над 32-разрядными двоичными числами).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Таким образом, ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">электронные вычислительные машины ENIAC и EDVAC отражают дуализм в развитии цифровых средств информатики, говоря иначе, констатируют неизбежность двух начал: параллельных и последовательных архитектур ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Второе поколение (1954–1962)

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении. Принято считать, что поводом для выделения нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, переход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со временем переключения порядка 0,3 мс.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Первой ВМ, выполненной полностью на полупроводниковых диодах и транзисторах, стала TRADIC (TRAnisitor DIgital Computer), построенная в Bell Labs по заказу военно-воздушных сил США как прототип бортовой ВМ. Машина состояла из 700 транзисторов и 10 000 германиевых диодов. За два года эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, что говорит о прорыве в области надежности, по сравнению с машинами на электронных лампах. Другой достойной упоминания полностью полупроводниковой ВМ стала TX-0, созданная в 1957 году в Массачусетсском технологическом институте.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Технологический прогресс дополняют важные изменения в архитектуре ВМ. Прежде всего, это касается появления в составе процессора ВМ индексных регистров, что позволило упростить доступ к элементам массивов. Прежде, при циклической обработке элементов массива, необходимо было модифицировать код команды, в частности хранящийся в нем адрес элемента массива. Как следствие, в ходе вычислений коды некоторых команд постоянно изменялись, что затрудняло отладку программы. С использованием индексных регистров адрес элемента массива вычисляется как сумма адресной части команды и содержимого индексного регистра. Это позволяет обратиться к любому элементу массива, не затрагивая код команды, а лишь модифицируя содержимое индексного регистра.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Вторым принципиальным изменением в структуре ВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой. До этого обработка вещественных чисел производилась с помощью подпрограмм, каждая из которых имитировала выполнение какой-то одной операции с плавающей запятой (сложение, умножение и т. п.), используя для этой цели обычное целочисленное арифметико-логическое устройство.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Третье значимое нововведение в архитектуре ВМ — появление в составе вычислительной машины процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить центральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом и обеспечивающих более высокую пропускную способность тракта «память — устройства ввода/вывода» (УВВ).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Наконец, нельзя не отметить значительные события в сфере программного обеспечения, а именно создание языков программирования высокого уровня: Фортрана (1956), Алгола (1958) и Кобола (1959).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Третье поколение (1963–1972)

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Третье поколение ознаменовалось резким увеличением вычислительной мощности ВМ, ставшим следствием больших успехов в области архитектуры, технологии и программного обеспечения. Основные технологические достижения связаны с переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств, начинающих вытеснять ЗУ на магнитных сердечниках. Существенные изменения произошли и в архитектуре ВМ. Это, прежде всего, микропрограммирование как эффективная техника построения устройств управления сложных процессоров, а также наступление эры конвейеризации и параллельной обработки. В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В первых ВМ третьего поколения использовались интегральные схемы с малой степенью интеграции (small-scale integrated circuits, SSI), где на одном кристалле размещается порядка 10 транзисторов. Ближе к концу рассматриваемого периода на смену SSI стали приходить интегральные схемы средней степени интеграции (medium-scale integrated circuits, MSI), в которых число транзисторов на кристалле увеличилось на порядок. К этому же времени относится повсеместное применение многослойных печатных плат. Все шире востребуются преимущества параллельной обработки, реализуемые за счет множественных функциональных блоков, совмещения во времени работы центрального процессора и операций ввода/вывода, конвейеризации потоков команд и данных.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В 1964 году Сеймур Крей (Seymour Cray, 1925–1996) построил вычислительную систему CDC 6600, в архитектуру которой впервые был заложен функциональный параллелизм. Благодаря наличию 10 независимых функциональных блоков, способных работать параллельно, и 32 независимых модулей памяти удалось достичь быстродействия в 1 MFLOPS (миллион операций с плавающей запятой в секунду). Пятью годами позже Крей создал CDC 7600 с конвейеризированными функциональными блоками и быстродействием 10 MFLOPS. CDC 7600 называют первой конвейерной вычислительной системой (конвейерным процессором). Революционной вехой в истории ВТ стало создание семейства вычислительных машин IBM 360, архитектура и программное обеспечение которых на долгие годы служили эталоном для последующих больших универсальных ВМ (mainframes). В машинах этого семейства нашли воплощение многие новые для того периода идеи, в частности: предварительная выборка команд, отдельные блоки для операций с фиксированной и плавающей запятой, конвейеризация команд, кэш-память. К третьему поколению ВС относятся также первые параллельные вычислительные системы: SOLOMON корпорации Westinghause и ILLIAC IV — совместная разработка Иллинойского университета и компании Burroughs. Третье поколение ВТ ознаменовалось также появлением первых конвейерно-векторных ВС: TI-ASC (Texas Instruments Advanced Scientific Computer) и STAR-100 фирмы СВС.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Четвертое поколение (1972–1984)

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микросхемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale integration, VLSI) степени интеграции. К первым относят схемы, содержащие около 1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном кристалле VLSI имеет порядок 100 000. При таких уровнях интеграции стало возможным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычислительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Конец 70-х и начало 80-х годов — это время становления и последующего победного шествия микропроцессоров и микроЭВМ, что, однако, не снижает важности изменений, произошедших в архитектуре других типов вычислительных машин и систем.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Одним из наиболее значимых событий в области архитектуры ВМ стала идея вычислительной машины с сокращенным набором команд (RISC, Redused Instruction Set Computer), выдвинутая в 1975 году и впервые реализованная в 1980 году. В упрощенном изложении суть концепция RISC заключается в сведении набора команд ВМ к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет упростить схемотехнику процессора и добиться резкого сокращения времени выполнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В ВМ и ВС четвертого поколения практически уходят со сцены ЗУ на магнитных сердечниках и основная память строится из полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ). До этого использование полупроводниковых ЗУ ограничивалось лишь регистрами и кэш-памятью.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В сфере высокопроизводительных вычислений доминируют векторные вычислительные системы, более известные как суперЭВМ. Разрабатываются новые параллельные архитектуры, однако подобные работы пока еще носят экспериментальный характер. На замену большим ВМ, работающим в режиме разделения времени, приходят индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции (этим термином обозначают сетевой компьютер, использующий ресурсы сервера).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Пятое поколение (1984–1990)

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Главным поводом для выделения вычислительных систем второй половины 80-х годов в самостоятельное поколение стало стремительное развитие ВС с сотнями процессоров, ставшее побудительным мотивом для прогресса в области параллельных вычислений. Ранее параллелизм вычислений выражался лишь в виде конвейеризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров. Вычислительные системы пятого поколения обеспечивают такое распределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процессоров может выполнять задачу отдельного пользователя.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">В рамках пятого поколения в архитектуре вычислительных систем сформировались два принципиально различных подхода: архитектура с совместно используемой памятью и архитектура с распределенной памятью.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Шестое поколение (1990–)

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">На ранних стадиях эволюции вычислительных средств смена поколений ассоциировалась с революционными технологическими прорывами. Каждое из первых четырех поколений имело четко выраженные отличительные признаки и вполне определенные хронологические рамки. Последующее деление на поколения уже не столь очевидно и может быть понятно лишь при ретроспективном взгляде на развитие вычислительной техники. Пятое и шестое поколения в эволюции ВТ — это отражение нового качества, возникшего в результате последовательного накопления частных достижений, главным образом в архитектуре вычислительных систем и, в несколько меньшей мере, в сфере технологий.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Поводом для начала отсчета нового поколения стали значительные успехи в области параллельных вычислений, связанные с широким распространением вычислительных систем с массовым параллелизмом. Особенности организации таких систем, обозначаемых аббревиатурой MPP (massively parallel processing), будут рассмотрены в последующих лекциях. Здесь же упрощенно определим их как совокупность большого количества (до нескольких тысяч) взаимодействующих, но достаточно автономных вычислительных машин. По вычислительной мощности такие системы уже успешно конкурируют с суперЭВМ, которые, как ранее отмечалось, по своей сути являются векторными ВС. Появление вычислительных систем с массовым параллелизмом дало основание говорить о производительности, измеряемой в TFLOPS (1 TFLOPS соответствует 10 ;font-family:"Times New Roman";vertical-align:super" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">12 ;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU"> операциям с плавающей запятой в секунду).

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Вторая характерная черта шестого поколения — резко возросший уровень рабочих станций. В процессорах новых рабочих станций успешно совмещаются RISC-архитектура, конвейеризация и параллельная обработка. Некоторые рабочие станции по производительности сопоставимы с суперЭВМ четвертого поколения. Впечатляющие характеристики рабочих станций породили интерес к гетерогенным (неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей станции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции, после чего вычисления распараллеливаются и на эти простаивающие станции.

;font-family:"Times New Roman"" xml:lang="ru-RU" lang="ru-RU">Наконец, третьей приметой шестого поколения в эволюции ВТ стал взрывной рост глобальных сетей. Завершая обсуждение эволюции ВТ, отметим, что верхняя граница шестого поколения хронологически пока не определена и дальнейшее развитие вычислительной техники может внести в его характеристику новые коррективы. Не исключено также, что последующие события дадут повод говорить и об очередном поколении.

История развития вычислительной техники

Развитие вычислительной техники можно разбить на следующие периоды:

Ø Ручной (VI век до н.э. - XVII век н.э.)

Ø Механический (XVII век - середина XX века)

Ø Электронный (середина XX века - настоящее время)

Хотя Прометей в трагедии Эсхила утверждает: «Подумайте, что смертным сделал я: число им изобрел и буквы научил соединять», понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать в течение многих веков, передавая и обогащая из поколения в поколение свой опыт.

Счет, или шире - вычисления, может быть осуществлен в различных формах: существует устный, письменный и инструментальный счет . Средства инструментального счета в разные времена имели различные возможности и назывались по-разному.

Ручной этап (VI век до н.э. - XVII век н.э.)

Возникновение счета в древности - «Это было началом начал...»

Предположительный возраст последней генерации человечества - 3-4 миллиона лет. Именно столько лет назад человек встал на ноги и взял в руки изготовленный им самим инструмент. Однако, способность считать (то есть способность разбивать понятия «больше» и «меньше» на конкретное количество единиц) сформировалась у человека значительно позднее, а именно 40-50 тысяч лет назад (поздний палеолит). Этот этап соответствует появлению современного человека (кроманьонца). Таким образом, одной из основных (если не главной) характеристикой, отличающей кроманьонца от более древней ступени человека, является наличие у него счётных способностей.

Нетрудно догадаться, что первым счетным устройством человека были его пальцы.

Научившись считать по пальцам до десяти, люди сделали следующий шаг вперед и стали считать десятками. И если одни папуасские племена умели считать лишь до шести, то другие доходили в счете до нескольких десятков. Только для этого приходилось приглашать сразу много счетчиков.

Во многих языках слова "два" и "десять" созвучны. Может быть, это объясняется тем, что когда-то слово "десять" означало "две руки". И сейчас есть племена, которые говорят "две руки" вместо "десять" и "руки и ноги" вместо "двадцать". А в Англии первые десять чисел называют общим именем - "пальцы". Значит, и англичане когда-то считали по пальцам.

Пальцевой счет сохранился кое-где и поныне, например, историк математики Л.Карпинский в книге «История арифметики» сообщает, что на крупнейшей мировой хлебной бирже в Чикаго предложения и запросы, как и цены объявляются маклерами на пальцах без единого слова.

Затем появился счет с перекладыванием камней, счет с помощью чёток… Это был существенный прорыв в счетных способностях человека - начало абстрагирования цифры.

Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». Но обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал, ведь для задания метода расчётов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Чтобы упростить и ускорить процесс задания программ, Мокли и Эккерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман , который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим ученым и стал широко известен, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом .

Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 г. Эккертом и Мокли, основавшими в декабре того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC . Работала она с тактовой частотой 2.25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство с ёмкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.

Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNIVAC-1 ее разработчики выдвинули идею автоматического программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла подготавливать такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.

Сильным сдерживающим фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 1950-х годов было отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной техники Д. Эккерта, «архитектура машины определяется памятью». Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на проволочные матрицы.

В 1951 г. Дж. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1» впервые была применена память на магнитных сердечниках. Она представляла собой 2 куба 32 х 32 х 17 с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность.

Вскоре в разработку электронных компьютеров включается фирма IBM . В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличался высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.

IBM 704
После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709, которая, в архитектурном плане, приближалась к машинам второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода-вывода.

В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые запоминающие устройства (ЗУ), значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12 000 об./мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10 000 знаков каждая.

Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC-1 фирма Remington-Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в компьютере UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания.

Сотрудники фирмы Rernington-Rand использовали алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short Code» (пррвый интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Мокли). Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ США и руководителя группы программистов, в то время капитана (в дальнейшем единственная в ВМФ женщина-адмирал) Грейс Хоппер , которая разработала первую программу-компилятор. Кстати, термин «компилятор» впервые ввела Г. Хоппер в 1951 г. Эта компилирующая программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Г. Хоппер принадлежит также авторство термина «баг» в применении к компьютерам. Как-то через открытое окно в лабораторию залетел жук (по-английски - bug), который, сев на контакты, замкнул их, чем вызвал серьезную неисправность в работе машины. Обгоревший жук был подклеен в административный журнал, где фиксировались различные неисправности. Так был задокументирован первый баг в компьютерах.

Фирма IBM сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 г. для машины IBM 701 «Систему быстрого кодирования». В СССР А. А. Ляпунов предложил один из первых языков программирования. В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН . Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы применения компьютеров.

Алексей Андреевич Ляпунов
В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад «Наилучший метод конструирования автоматической машины», который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Предложенный им метод проектирования устройств управления нашел широкое применение.

Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2. М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый учебник по программированию «Составление программ для электронных счетных машин».

В 1956 г. фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения (РОН). С появлением РОН было устранено различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении программиста оказался не один, а несколько регистров-аккумуляторов.

Появление персональных компьютеров

Успех «Альтаир-8800» заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы практического значения. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (1978 г. и 1979 г. соответственно). Эти и многие другие программы сделали покупку персональных компьютеров весьма выгодной для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. Использование же больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.

В конце 1970-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM - ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088 . Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 мегабайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 килобайтами.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике, и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через пару лет компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

IBM PC
Секрет популярности IBM PC в том, что фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъёмным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров.

Перспективность и популярность IBM PC сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IBM.

Совместимые с IBM PC компьютеры вначале презрительно называли «клонами», но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы-производители IBM PC-совместимых компьютеров стали реализовывать технические достижения быстрее, чем сама IBM. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

Персональные компьютеры будущего

ПК будет мал по размерам и иметь мощь современных суперкомпьютеров . ПК станет хранилищем информации, охватывающей все аспекты нашей повседневной жизни, он не будет привязан к электрическим сетям. Этот ПК будет защищен от воров благодаря биометрическому сканеру , который будет узнавать своего владельца по отпечатку пальца.

Основным способом общения с компьютером будет голосовой. Настольный компьютер превратится в «моноблок», вернее, в гигантский компьютерный экран - интерактивный фотонный дисплей. Клавиатура не понадобится, так как все действия можно будет совершать прикосновением пальца. Но для тех, кто предпочитает клавиатуру, в любой момент на экране может быть создана виртуальная клавиатура и удалена тогда, когда в ней не будет нужды.

Компьютер станет операционной системой дома, и дом начнет реагировать на потребности хозяина, будет знать его предпочтения (приготовить кофе в 7 часов, запустить любимую музыку, записать нужную телепередачу, отрегулировать температуру и влажность и т. д.)

Размер экрана не будет играть никакой роли в компьютерах будущего. Он может быль большим, как ваш рабочий стол, или маленьким. Большие варианты компьютерных экранов будут основаны на жидких кристаллах, возбуждаемых фотонным способом, которые будут иметь гораздо более низкое энергопотребление, чем сегодняшние LCD-мониторы. Цвета будут яркими, а изображения - точными (возможны плазменные дисплеи). Фактически сегодняшняя концепция «разрешающей способности» будет в значительно степени атрофирована.