Обчислювальні машини XIX сторіччя

Електронно-обчислювальні машини (ЕОМ) спочатку створювались для автоматичного проведення математичних обчислень з використанням засобів електронної техніки, тому вони і отримали таку назву. Спроби створення обчислювальної машини були ще на початку XIX ст. Винахід першої програмованої обчислювальної машини належить видатному англійському математику Чарлзу Бебіджу (1830 р.).

Рис. 5. Чарльз Беббідж.

Він присвятив майже все своє життя цій праці, але так і не створив діючу модель. Бебідж назвав свій винахід «Аналітична машина». За планом машина мала діяти завдяки силі пару. При цьому вона була б здатна сприймати команди, виконувати обчислення та видавати необхідні результати у надрукованому вигляді. Програми в свою чергу мали кодуватися та переноситись на перфокарти. Ідея використання перфокарт була запозичена Бебіджем у французького винахідника Жозефа Жаккара (кінець XVIII ст.). Для контролю ткацьких операцій Жаккар використовував отвори, пробиті в картках. Картки з різним розташуванням отворів давали різні візерунки на плетінні тканини. По суті, Бебідж був першим, хто використав перфокарти стосовно обчислювальних машин.

У своїй машині Бебідж використав також технологію обчислень, запропоновану наприкінці XVIII сторіччя французьким вченим Гаспаром де Проні. Він розділив обчислення на три етапи: розробка чисельного методу, створення програми послідовності арифметичних дій, проведення обчислень шляхом арифметичних операцій над числами згідно зі створеною програмою.

Серед учених, які зробили значний внесок у розвиток обчислювальної техніки, була математик леді Августа Лавлейс — дочка видатного англійського поета лорда Байрона. Саме вона переконала Бебіджа у необхідності використання у його винаході двійкової системи обчислення замість десяткової. Вона також розробила принципи програмування, що передбачали повторення послідовності команд та виконання цих команд за певних умов. Ці принципи використовуються і в сучасній обчислювальній техніці.

Чарлз Бебідж вперше висловив ідею використання перфокарт в обчислювальній техніці, але реалізовано цю ідею було тільки 1887 року Германом Холерітом. Його машина була призначена для обробки результатів перепису населення США. Також Холеріт уперше застосував для організації процесу обчислення електричну силу.

Картки використовувались для кодування даних перепису, при цьому на кожну людину була заведена окрема картка. Кодування велося за допомогою певного розташування отворів, що пробивалися в картці по рядках та колонках. Наприклад, отвір, що був пробитий в третій колонці та четвертому рядку, міг означати, що людина одружена. Коли картка, що мала розмір банкноти в один долар, пропускалася крізь машину, вона прощупувалась системою голок. Якщо навпроти голки з'являвся отвір, то голка проходила крізь нього і доторкалася до металевої поверхні, що була розташована під карткою. Контакт, який відбувався при цьому, замикав електричний ланцюг, завдяки чому до результату обчислення додавалася одиниця.

В 40-і роки XX ст. відразу декілька груп вчених реалізували ідеї Беббіджа в обчислювальній машині, побудованій на електромеханічних реле. Першим з них був німецький інженер Конрад Цузе, який працював над дипломним проектом і вирішив створити у себе вдома цифрову обчислювальну машину з програмним управлінням та з використанням (вперше в світі) двійкової системи числення. 1937 року машина 21 (Цузе 1) запрацювала. Вона була 22-розрядною, з пам'яттю на 64 числа і працювала на суто механічній (важільній) базі.

1937 року Джон Атанасов (американський вчений, болгарин за походженням) вперше запропонував ідею використання електронних ламп як носіїв інформації.

В 1942—1943 роках в Англії була створена за участю Алана Тьюрінга обчислювальна машина «Колос». В ній було 2000 електронних ламп. Машина призначалася для розшифрування радіограм німецького вермахту. «Колос» вперше в світі зберігав та обробляв дані за допомогою електроніки, а не механічно.

Машини Цузе та Тьюрінга були засекреченими, про їх створення стало відомо через багато років після закінчення війни.

1944 року під керівництвом професора Гарвардського університету Говарда Айкена було створено обчислювальну машину з автоматичним керуванням послідовністю дій, відому під назвою Марк 1. Ця обчислювальна машина була здатна сприймати вхідні дані з перфокарт або перфострічок. Машина Марк 1 була електромеханічною, для зберігання даних використовувались механічні прилади (коліщатка та перемикачі). Машина Айкена могла виконувати близько однієї операції за секунду та мала величезні розміри: понад 15 м завдовжки та близько 2,5 м заввишки і складалася більш ніж із 750 тисяч деталей.

1946 року групою інженерів під керівництвом Джона Моучлі та Дж. Преспера Еккерта на замовлення військового відомства США було створено машину ЕНІАК, яка була здатна виконувати близько 3 тисяч операцій за секунду. За розмірами ЕНІАК був більшим за Марк 1: понад 30 метрів завдовжки, його об'єм становив 85м³. Важив ЕНІАК 30 тонн. Замість тисяч механічних деталей Марка 1, в ЕНІАКу було використано 18 тисяч електронних ламп.

Ця ЕОМ працювала в тисячу разів швидше за Марк-1, але вона не могла тримати програму в пам'яті. Для її введення затрачалось багато часу. Сам процес вводу програми полягав у під єднанні певним чином великої кількості провідників.

В 1945 році Джон фон Нейман сформулював теоретичні принципи функціонування ЕОМ. Ці принципи реалізував в 1949 році англійський дослідник Моріс Уілкс, створивши нову ЕОМ, яка не мала недоліків ENIACa.

Перша ЕОМ, яка зберігала програми у пам'яті, дістала назву ЕДСАК (Electronic Delay Storage Automatic Calculator — електронний калькулятор з пам'яттю на лініях затримки). Вона була створена в Кембріджському університеті (Англія) 1949 року. З того часу всі ЕОМ є комп'ютерами з програмами, які зберігаються у пам'яті.

У 1951 році була створена перша в ЄвропіЕОМ. Створили її в конструкторському бюро Лєбєдєва в Києві. Незалежно були створені МЕОМ (Мала Електрична Обчислювальна Машина) і ШЕОМ (1952р.) (Швидкодіюча Електрична Обчислювальна Машина), яка була на той час кращою в світі та могла виконувати близько 8 тисяч операцій за секунду.

1951 року компанія Джона Моучлі та Дж. Преспера Еккерта створила машину UNIVAC (Universal Automatic Computer — універсальна автоматична обчислювальна машина). Перший екземпляр ЮНІВАКа було передано в Бюро перепису населення США. Потім було створено багато різних моделей ЮНІВАКа, які почали застосовуватися у різних сферах діяльності. Таким чином, ЮНІВАК став першим серійним комп'ютером. Крім того, це був перший комп'ютер, в якому замість перфострічок та карток було використано магнітну стрічку.

Розвиток ЕОМ можна поділити на два значних етапи:

1. Друга половина 40-х кінець 70-х - це період розвитку лише великих ЕОМ;

2.3 80-х до нашого часу - поряд з промисловими ЕОМ - розвиток у напрямку персональних. комп'ютерів (ПК).

У деякій літературі зустрічається також поділ розвитку ЕОМ на чотири покоління. Перший етап охоплює 1-3 покоління ЕОМ, а другий лише 4.

• Перше покоління - 40-ві - 50-гі роки - це ЕОМ побудовані на вакуумних лампах. Ці машини характеризувались дуже великими розмірами, малою продуктивністю і надійністю. Для їх обслуговування потрібні були декілька десятків чоловік. Такі комп'ютери, як ЕНІАК, ЕДСАК, ШЕОМ та ЮНІВАК, являли собою. лише перші моделі ЕОМ. Упродовж десятиріччя після створення ЮНІВАКа було виготовлено та введено в експлуатацію в США близько 5000 комп'ютерів.

• Друге покоління - середина 50-х - середина 60-х - це ЕОМ побудовані на транзисторах (перший транзистор створено в 1948 p. Транзистори, як виявилось, були спроможні виконувати всі ті функції, які до цього часу виконували електронні лампи. Але при цьому вони були значно менші за розмірами та споживали набагато менше електроенергії. До того ж транзистори дешевші, випромінюють менше тепла та більш надійні, ніж електронні лампи. І все ж таки найдивовижнішою властивістю транзистора є те, що він один здатен виконувати функції 40 електронних ламп та ще й з більшою швидкістю, ніж вони. В результаті швидкодія машин другого покоління виросла приблизно в 10 разів порівняно з машинами першого покоління, обсяг їх пам'яті також збільшився. Водночас із процесом заміни електронних ламп транзисторами вдосконалювалися методи зберігання інформації. Магнітну стрічку, що вперше було використано в ЕОМ ЮНІВАК, почали використовувати як для введення, так і для виведення інформації. А в середині 60-х років набуло поширення зберігання інформації на дисках. ЕОМ цього покоління вже характеризуються в сотні разів меншими розмірами при більшій продуктивності. Саме тоді в 1965 році, вперше фірмою Digital Equipment, була створена перша міні-ЕОМ PDP-8, пращур сучасних ПК.

• Третє покоління - кінець 60-х - кінець 70-х - це ЕОМ побудовані на інтегральних схемах. Інтегральна схема (чіп) - це кристал, на якому розміщені тисячі, а на сьогоднішній день мільйони транзисторів. Першу інтегральну схему створив майбутній засновник фірми Intel Роберт Нойс (1959рік). В 1968 році фірма Burroughs випустила першу ЕОМ на Інтегральних схемах. Поява інтегрованих схем означала справжню революцію в обчислювальній техніці. Одна така схема здатна замінити тисячі транзисторів, кожний з яких у свою чергу уже замінив 40 електронних ламп. Інакше кажучи, один крихітний, але складний кристал має такі ж самі обчислювальні можливості, як і 30-тонний ЕНІАК.

• Четверте покоління - кінець 70-х і до сьогоднішніх днів - це ЕОМ, які характеризуються наявністю головного керуючого елемента - центрального процесора. Розвиток мікроелектроніки дав змогу розміщати на одному кристалі тисячі інтегрованих схем. Так, 1980 р. центральний процесор невеликої ЕОМ вдалося розташувати на кристалі площею 1,6см². Почалася епоха мікрокомп'ютерів. Швидкодія сучасної ЕОМ в десятки разів перевищує швидкодію ЕОМ третього покоління на інтегральних схемах, в 100 разів — швидкодію ЕОМ другого покоління на транзисторах та в 10 000 разів швидкодію ЕОМ першого покоління на електронних лампах.

В 1971 році фірмою Intel створено перший мікропроцесор з маркуванням 4004. Пізніше, в 1973 році, створено процесор 8008, який на відміну від попереднього 4-бітного вже був 8-бітним. А в 1974 році виходить його удосконалена версія 8080, на базі якої, фірмою MITS, було побудовано перший персональний комп'ютер "Altair-8800". Отже, утворилось два напрямки розвитку ЕОМ:

· перший - промислові ЕОМ,

· другий - персональні ЕОМ або ПК.

Поширення персональних комп'ютерів в кінці 70-х років, привело до зниження попиту на великі ЕОМ. Це стало серйозною проблемою для фірми ІВМ (International Business Machines Corporation) - провідної компанії з випуску великих ЕОМ. І, відповідно зреагувавши, в 1979 році фірма вирішила розпочати випуск ПК. Саме тоді IBM вирішила використовувати для своїх ПК 8-розрядний процесор фірми Intel - 8088, випущений в 1979 році,

В серпні 1981 року був випущений комп'ютер під назвою IBM PC на базі 16 - розрядного процесора Intel - 8086. Майже через два роки цей комп'ютер зайняв провідне місце на ринку персональних комп'ютерів. В цей же час на ринку ПК з'являється фірма Apple Computer. В 1980 році вона випустила комп'ютер Macintosh.

З того часу розвиток ПК поділяється на два напрямки:

· перший - розвиток ІВМ-сумісних ПК, тобто ПК, які підтримують архітектуру IBM PC;

· другий - розвиток APPLE-сумісних ПК, тобто ПК які підтримують архітектуру MACINTOSH.

Персональні IBM PC-сумісні комп'ютери є найбільше широко використовуваним видом комп'ютерів, їхня потужність постійно збільшується, а область застосування розширюється. Ці комп'ютери можуть поєднуватися в мережі, що дозволяє десяткам і сотням користувачів легко обмінюватися інформацією й одночасно одержувати доступ до загальних баз даних. Засоби електронної пошти дозволяють користувачам комп'ютерів з допомогою звичайної телефонної мережі посилати текстові і факсимільні повідомлення в інші міста і країни й одержувати інформацію з великих банків даних. Глобальна система електронного зв'язку Internet забезпечує за вкрай низьку ціну можливість оперативного одержання інформації з усіх куточків земної кулі, надає можливості голосового і факсимільного зв'язку, полегшує створення внутрікорпоративних мереж передачі інформації для фірм, що мають відділення в різних містах і країнах.

Однак можливості IBM PC-сумісних персональних комп'ютерів по обробці інформації все-таки обмежені, і не у всіх ситуаціях їх застосування виправдане.

Основні типи інших комп'ютерів:

мейнфрейми, чи великі ЕОМ — це комп'ютери, створені для обробки великих обсягів інформації. Найбільш великий їхній виробник — фірма IBM. Відрізняються винятковою надійністю, високою швидкодією, дуже великою пропускною здатністю каналів вводу-виводу. До них можуть приєднуватися тисячі терміналів (дисплеїв із клавіатурою) чи персональних комп'ютерів для роботи користувачів. Більшість великих корпорацій, банків, закордонних урядових закладів обробляють свої дані саме на великих ЕОМ. Хоча вони можуть коштувати мільйони доларів, попит на них не падає, тому що забезпечувані ними централізовані збереження й обробка даних обходяться дешевше, ніж обслуговування розподілених систем обробки даних, що складаються із сотень і тисяч персональних комп'ютерів;

супер-ЕОМ — це комп'ютери, призначені для рішення задач, що вимагають величезної швидкодії. Основні споживачі супер-ЕОМ — військові, метеорологи, геологи і багато інших учених. Наприклад, якісний прогноз погоди моделювання ядерного вибуху вимагають колосальних розрахунків, так що застосування супер-ЕОМ тут цілком виправдане. Супер-ЕОМ коштують десятки мільйонів доларів (якщо не дорожче), їх роблять всього декілька фірм — Cray Research (нині цей підрозділ фірми Silicon Graphics), Hitachi і ін.;

міні-ЕОМ — це комп'ютери, що займають проміжне положення між персональними комп'ютерами і мейнфреймами. Вони використовуються в більшості великих фірм, в університетах, урядових закладах, центрах обробки даних і т.д. — як для тих задач, для яких продуктивності персональних комп'ютерів недостатньо, так і для забезпечення централізованого збереження й обробки даних. Звичайно до міні-ЕОМ підключаються десятки сотні терміналів (дисплеїв із клавіатурою) чи персональних комп'ютерів для роботи користувачів. Основні виробники міні-ЕОМ — DEC. (Digital Equipment Corp.), Sun, Hewlett-Packard, IBM, Silicon Graphics і ін. Комп'ютери фірми Silicon Graphics забезпечуються спеціальними апаратними засобами для прискорення процесів тривимірного моделювання й анімації, тому на цих комп'ютерах створюється більшість спецефектів у кінофільмах;

робочі станції — як правило, це молодші моделі міні-ЕОМ, призначені для роботи з одним користувачем. Звичайно вони мають продуктивність як у самих могутніх персональних;

комп'ютери типу Macintosh — це єдиний або розповсюджений вид персональних комп'ютерів, не сумісний з IBM PC. У середині і кінці 80-х років комп'ютери Macintosh, розроблені і вироблені фірмою Apple, складали, незважаючи на свою дорожнечу, гідну альтернативу IBM PC-сумісним комп'ютерам, так вони забезпечували наочний графічний інтерфейс для роботи з користувачем і були значно простіше в експлуатації. Однак у 90-х роках для IBM PC-сумісних комп'ютерів були розроблені ОС із графічним інтерфейсом — Windows, Windows NT, Windows 95, OS/2, а також численні розраховані на них програми. І переваги Macintosh значною мірою зникли. Багато виробників програм для Macintosh стали випускати версії своїх програм також і для IBM PC, а частка Macintosh у загальному випуску персональних комп'ютерів стала знижуватися (зараз вона складає близько 7—8;

кишенькові комп'ютери, чи особисті електронні помічники, — це невеликі комп'ютери вагою близько 300—500 грам, що поміщаються на кисті однієї руки. Як правило, вони працюють на звичайних батарейках. У кишенькових комп'ютерах немає ні жорсткого диска, ні дисковода для дискет, ні дисковода оптичних дисків (через велике енергоспоживання).