История ЭВМ

                                                 История ЭВМ

Первым массовым промышленным устройством, работающим по заданной программе, был ткацкий станок Жаккарда, управляемый программой, пробитой на перфокартах. Яркий пример машины с программным управлением, созданной задолго до появления вычислительных машин. Двоичным кодом набрана перфокарта: есть отверстие-нет отверстия. Соответственно, какая-то нить поднялась, какая-то нет. Челнок прокидывает в образовавшийся зев нить, формируя двусторонний орнамент, где одна сторона является цветовым или фактурным негативом другой. Поскольку для создания даже некрупного узора, требуется около 100 и более уточных нитей и ещё большее количество нитей основы, создавалось огромное количество перфорированных карт, которые связывались в единую ленту, Прокручиваясь, она могла занимать два этажа. Одной перфокарте соответствует один прокид челнока.. В начале XIX в. во Франции работало более 10 тысяч подобных станков.

Механические устройства для обработки числовой информации были изобретены в США и впервые  использовались практически для  обработки результатов переписи населения 1890 г. Результаты переписи вручную  заносились на перфокарты, а затем  автоматически, без участия человека, обрабатывались специальными машинами — табуляторами.

Первый статистический табулятор  был построен американцем Германом Холлеритом, с целью ускорить обработку  результатов переписи населения, которая  проводилась в США в 1890 г. Идея возможности использования для  этих целей перфокарт принадлежала высокопоставленному чиновнику бюро переписи Джону Шоу Биллингсу (будущему тестю Холлерита). Холлерит закончил работу над табулятором к 1890 г. Затем в бюро переписи были проведены испытания, и табулятор Холлерита в соревновании с несколькими другими системами был признан лучшим. С изобретателем был заключен контракт. После проведения переписи Холлерит был удостоен нескольких премий, и получил звание профессора в Колумбийском университете.Холлерит организовал фирму по производству табуляционных машин TMC, продавая их железнодорожным управлениям и правительственным учреждениям (партия табуляторов была также закуплена Российской империей). Этому предприятию сопутствовал успех. С годами оно претерпело ряд изменений — слияний и переименований. С 1924 года фирма Холлерита стала называться IBM.

Пионером создания универсальной  счетной машины — прообраза современных  ЭВМ — был англичанин Чарльз Бэббедж, декан кафедры математики Кембриджского университета. В двадцатых—тридцатых годах XIX в. он предложил идею универсальной механической вычислительной машины, работающей по программе, пробитой на перфокартах. Изобретение Бэббеджа опередило свое время; он умер, успев построить лишь отдельные компоненты универсальной машины.

После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации  счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые  построил ручной перфоратор для нанесения  цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки  этих перфокарт в зависимости  от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров

Первая электронная вычислительная машина ЭНИАК была построена в  США в 1943—1946 гг. Вычисления на этой машине проводились электронными блоками, а вот программа работы машины задавалась вручную с помощью  механических устройств.

С самого начала войны сотрудники Лаборатории баллистических исследований министерства обороны США, расположенной  в штате Мэриленд, трудились над созданием баллистических таблиц, столь необходимых артиллеристам на полях сражений. Значение этих таблиц трудно переоценить. С их помощью артиллеристы могли делать поправки при наводке орудия с учетом расстояния до цели, ее высоты над уровнем моря, а также метеорологических условий - ветра и температуры воздуха. Однако для построения таблиц требовались очень длинные и утомительные вычисления - для расчета лишь одной траектории приходилось выполнять минимум 750 операций умножения, а каждая таблица включала не менее 2000 траекторий. Правда, дифференциальный анализатор позволил несколько ускорить расчеты, но это устройство давало лишь приближенные результаты, для уточнения которых привлекались затем десятки людей, работавших с обычными настольными калькуляторами. Война разрасталась, военные разработки требовали ускорения, лаборатория не справлялась с работой и в конце концов вынуждена была обратиться за помощью. В расположенном неподалеку Высшем техническом училище Пенсильванского университета был создан вспомогательный вычислительный центр. Училище располагало дифференциальным анализатором, однако двое сотрудников вычислительного центра, Джон У. Мочли и Дж. Преспер Экерт, вознамерились придумать кое-что получше.

Мочли, физик, увлекавшийся метеорологией, давно мечтал о создании устройства, которое позволило бы применить статистические методы для прогнозирования погоды. Перед войной он смастерил несколько простых цифровых счетных устройств на электронных лампах. Возможно, интерес к электронным вычислительным машинам возник у него под влиянием идей Джона Атанасоффа, работавшего в шт. Айова. В июне 1941 г. Мочли в течение пяти дней гостил у Атанасоффа, наблюдая, как тот вместе со своим помощником Клиффордом Берри трудился над прототипом компьютера, содержащим около З00 электронных ламп. В августе 1942 г. Мочли написал нечто вроде заявки на пяти страничках, где вкратце изложил их совместное с Экертом предложение о создании быстродействующего компьютера на электронных лампах. Заявка затерялась в инстанциях. Однако через несколько месяцев лейтенант Герман Голдстейн, прикомандированный к училищу военный представитель, случайно услышал об этой идее. В то время армия крайне нуждалась в новых баллистических таблицах. Артиллеристы сообщали из Северной Африки, что из-за очень мягкого грунта орудия далеко откатываются при отдаче и снаряды не достигают цели.

Голдстейн, до войны преподававший математику в Мичиганском университете, сразу же оценил значение предлагаемого проекта компьютера и начал хлопотать от имени военного командования, чтобы проект приняли к разработке. Наконец, 9 апреля 1943 г. - в день, когда Экерту исполнилось 24 года, - армия заключила с училищем контракт на 400 тыс. долл., предусматривающий создание компьютера Эниак.Группа специалистов, работавшая над этим проектом, в конечном счете выросла до 50 человек. Мочли был главным консультантом проекта, Экерт - главным конструктором. Разные по своему характеру и привычкам эти два человека прекрасно дополняли друг друга. Конструкция машины выглядела фантастически сложной - предполагалось, что она будет содержать 17468 ламп. Такое обилие ламп отчасти объяснялось тем, что Эниак должен был работать с десятичными числами. Мочли предпочитал десятичную систему счисления, ибо хотел, чтобы «машина была понятна человеку». Однако столь большое количество ламп, которые, перегреваясь, выходили из строя, приводили к частым поломкам. При 17 тыс. ламп, одновременно работающих с частотой 100 тыс. импульсов в секунду, ежесекундно возникало 1,7 млрд. ситуаций, в которых хотя бы одна из ламп могла не сработать. Экерт разрешил эту проблему, позаимствовав прием, который широко использовался при эксплуатации больших электроорганов в концертных залах: на лампы стали подавать несколько меньшее напряжение, и количество аварий снизилось до одной-двух в неделю.

Экерт разработал также программу строгого контроля исправности аппаратуры. Каждый из более чем 100 тыс. электронных компонентов 30-тонной машины подвергался тщательной проверке, затем все они аккуратно расставлялись по местам и запаивались, а иногда и перепаивались не раз. Эта работа потребовала большого напряжения сил всех членов группы, включая Мочли, ее «мозговой центр».

В конце 1945 г., когда Эниак ENIAC был наконец собран и готов к проведению первого официального испытания, война, нуждам которой он был призван служить, окончилась. Однако сама задача, выбранная для проверки машины, - расчеты, которые должны были ответить на вопрос о принципиальной возможности создания водородной бомбы, - указывала на то, что роль компьютера в послевоенные годы и годы «холодной войны» не снижалась, а скорее возрастала.

Эниак успешно выдержал испытания, обработав около миллиона перфокарт фирмы IBM. Спустя два месяца машину продемонстрировали представителям прессы. По своим размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) этот компьютер более чем вдвое превосходил Марк-1 Говарда Эйкена. Однако двойное увеличение в размерах сопровождалось тысячекратным увеличением в быстродействии. По словам одного восхищенного репортера, Эниак работал «быстрее мысли».Не успел Эниак вступить в эксплуатацию, как Мочли и Экерт уже работали по заказу военных над новым компьютером. Главным недостатком компьютера Эниак были трудности, возникавшие при изменении вводимых в него инструкций, т. е. программы. Объема внутренней памяти машины едва хватало для хранения числовых данных, используемых в расчетах. Это означало, что программы приходилось буквально «впаивать» в сложные электронные схемы машины. Если требовалось перейти от вычислений баллистических таблиц к расчету параметров аэродинамической трубы, то приходилось бегать по комнате, подсоединяя и отсоединяя сотни контактов, как на ручном телефонном коммутаторе. В зависимости от сложности программы такая работа занимала от нескольких часов до двух дней. Это было достаточно веским аргументом, чтобы отказаться от попыток использовать Эниак в качестве универсального компьютера.

Следующая модель - машина Эдвак (EDVAC, от Electronic Discrete Automatic Variable Computer - электронный дискретный переменный компьютер) - была уже более гибкой. Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и про грамму. Инструкции теперь не «впаивались» в схемы аппаратуры, а записывались электронным способом в специальных устройствах, о которых Экерт узнал, работая над созданием радара: это - заполненные ртутью трубки, называемые линиями задержки. Кристаллы, помещенные в трубку, генерировали импульсы, которые, распространяясь по трубке, сохраняли информацию, как ущелье «хранит» эхо. Существенно и то, что Эдвак кодировал данные уже не в десятичной системе, а в двоичной, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.В конце 1944 г., когда Мочли и Экерт трудились над машиной Эдвак, способной хранить про граммы в памяти, на помощь им был направлен консультант. Джону фон Нейману, который в 41 год уже обрел известность как блестящий математик, суждено было оказать огромное влияние на развитие вычислительной техники в послевоенные годы.

Идеи Бэббиджа на десятилетия  опередили появление пригодной  для практической реализации вычислительных машин элементной базы – реально  работающие конструкции появились  лишь в середине XX века. Фундаментальные  принципы архитектуры ЭВМ были обобщены и систематическим образом изложены в 1946 в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства" 2. В ней, в частности, четко и логично обосновывалась структура ЭВМ.

"Очевидно, что машина  должна быть способна запоминать  некоторым образом не только  цифровую информацию, необходимую  для данного вычисления..., но также  и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления  над этими числовыми данными.  В специализированной вычислительной  машине эти команды являются  неотъемлемой частью устройства  и составляют часть его конструкции.  В универсальной машине должна  быть возможность отдать приказ  устройству произвести вообще  любое вычисление… Следовательно, в машине должен быть некоторый орган, способный хранить эти приказы программы. Кроме того, должно быть устройство, которое может понимать эти команды и управлять их выполнением."

"Выше мы в принципе  указали на два различных вида  памяти – память чисел и  память приказов. Если, однако, приказы  машине свести к числовому  коду..., то орган памяти можно  использовать для хранения как чисел, так и приказов."

"Если память для  приказов является просто органом  памяти, то должен существовать  еще орган, который может автоматически  выполнять приказы, хранящиеся  в памяти. Мы будем называть  этот орган управлением."

"Поскольку наше устройство  должно быть вычислительной машиной,  в нем должен иметься арифметический  орган" – "устройство, способное  складывать, вычитать, умножать, делить. Мы увидим также, что оно  может выполнять и другие операции, которые встречаются довольно  часто."

"Наконец, должен существовать  орган ввода и вывода, с помощью  которого осуществляется связь  между оператором и машиной."

Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято  называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статье принято  называть «архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана».

         Принцип работы:

• С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.
• Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать: ◦выполнение логических или арифметических операций;
• чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
• запись результатов в память;
• ввод данных из внешнего устройства в память;
• вывод данных из памяти на внешнее устройство.
• Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.
• Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.
• Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Один из принципов "Архитектуры  фон Неймана" гласит: в компьютере не придется изменять подключения проводов, если все инструкции будут храниться  в его памяти . И как только эту идею в рамках “архитектуры фон Неймана» воплотили на практике, родился современный компьютер.

Как всякая техника, компьютеры развивались в сторону увеличения функциональности, целесообразности и  красоты. Есть вообще утверждение, претендующее на закон: совершенный прибор не может  быть безобразным по внешнему виду и наоборот, красивая техника не бывает плохой. Компьютер становится не только полезным, но и украшающим помещение прибором. Внешний вид  современного компьютера, конечно, соотносится  со схемой фон Неймана, но в то же время и разнится с ней.