тематических таблиц в том числе синусов логарифмов квадратных корней

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Введение

На всех этапах своего эволюционного развития люди стремились механизировать свой труд. Однако, как правило, эта механизация касалась физического труда: были изобретены рычаг, колесо... В своей умственной деятельности человек долгое время обходился без механизации. С этим можно было мириться в течение сотен лет, пока большинство занималось в основном физическим трудом. Но в связи с развитием мореплавания, астрономии появилась потребность в быстром и точном составлении различных математических таблиц, в том числе синусов, логарифмов, квадратных корней. Возникла мысль создать устройство, облегчающее проведение арифметических операций над большим количеством чисел.

История развития вычислительной техники как у нас в стране, так и за рубежом привлекает к себе все большее внимание. Однако внимание исследователей истории было сосредоточено в основном на достижениях в области аппаратных и программных средств и в гораздо меньшей степени – на истории развития других аспектов информационных технологий. Дело к тому же осложнялось тем, что развитие отечественной вычислительной техники на протяжении многих лет сопровождалось серьезными трудностями в реализации крупных государственных проектов, например, создание автоматизированных систем управления (АСУ). Однако за это время удалось накопить значительный опыт создания информационных систем и систем управления технико-экономическими объектами. Сведения, приведенные в учебном пособии, могут быть интересны всем, кто интересуется вопросами информационных технологий, в том числе студентам, тем более, что вопросы истории информационных технологий включены в учебные программы бакалавров, магистров, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника».

1. ПЕРВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

1.1. Системы счисления

В истории систем счисления выделяют несколько этапов: начальная стадия счета, непозиционные системы счисления, поместные или позиционные системы счисления. Начальная стадия счета характеризуется изображением подсчитываемых множеств с помощью частей тела, особенно пальцев рук и ног, палочек, узлов веревки и т.д. Несмотря на крайнюю примитивность этого способа, он сыграл исключительную роль в развитии понятия числа. Именно в этот начальный период было сделано одно из крупнейших открытий античной математики. Речь идет о позиционном принципе представления чисел. Первой известной системой счисления, основанной на поместном или позиционном принципе, является шестидесятеричная система древних вавилонян, возникшая примерно за 2000 лет до н.э.

Для объяснения вопроса о ее происхождении в истории математики возникло несколько конкурирующих гипотез. М. Кантор первоначально предположил, что сумерийцы (первичное население долины Евфрата) считали год равным 360 суткам и что шестидесятеричная система имеет астрономическое происхождение. По гипотезе Г. Кевича в долине Евфрата встретились два народа, из которых у одного была десятичная система счисления, а у другого основанием было число 6 (возникновение такого основания Кевич объясняет особым счетом на пальцах, в котором сжатая в кулак рука означала 6). Благодаря слиянию обеих систем возникло "компромиссное" основание 60.

Согласно гипотезе Нейгебауэра об измерительном происхождении позиционного принципа "основные этапы образования позиционной системы в Вавилоне таковы: 1) установление количественного соотношения между двумя самостоятельно существовавшими системами мер и 2) опускание названий разрядовых единиц при письме". Эти этапы возникновения позиционных систем Нейгебауэр считает общими, подчеркивая при этом, что "позиционная шестидесятеричная система оказалась вполне естественным конечным результатом долгого развития, ничем принципиально не отличающегося от аналогичных процессов в других культурах".

Что касается основания 60, которое, по мнению Нейгебауэра, возникло как синтез вавилонских систем мер, то более убедительной все же является гипотеза Кантора о его "астрономическом" происхождении. Происхождение числа 60 в качестве основания вавилонской системы счисления, а также чисел 12, 30 и 360 как узловых чисел всех календарных систем, систем измерения времени и угловых величин можно объяснить с позиций астрологических и астрономических знаний и основанных на них представлений о гармонии Вселенной. В Вавилоне и Египте с давних времен при составлении календарей большое значение придавали самой крупной из планет-гигантов - Юпитеру, который примерно за 12 лет делает полный оборот вокруг Солнца. Не меньшую роль играл также Сатурн, который совершает полный оборот вокруг Солнца примерно за 30 лет. Приняв 60 лет в качестве главного цикла Солнечной системы, составителям древних календарей удалось идеально согласовать циклы Юпитера (5x12=60) и Сатурна (2x30=60).

Гармонию Вселенной с давних времен символизировали пять "правильных" геометрических тел, называемых «Платоновыми телами». Особую роль при этом играл додекаэдр - правильный 12-гранник, гранями которого являются правильные пятиугольники (пентаграммы). Отсюда следует, что число углов на поверхности додекаэдра равно 5x12=60 (что соответствует 60-летнему циклу). Додекаэдр имеет 30 ребер (что соответствует циклу Сатурна) и 12 граней (что соответствует циклу Юпитера), а произведение этих чисел 30x12=360. Следуя магической числовой символике додекаэдра, которая отражала числовую гармонию циклов Юпитера и Сатурна, древние вавилоняне и выбрали число 60 в качестве основания своей системы счисления, а древние египтяне пришли к мысли разбить год на 12 месяцев (число граней додекаэдра), каждый из которых содержал ровно 30 дней (число ребер додекаэдра). Таким и был египетский календарь, созданный в четвертом тысячелетии до н.э. В этом календаре год состоял из 365 дней. Он делился на 12 месяцев по 30 дней каждый, в конце года добавлялось пять праздничных дней, которые, однако, не входили в состав месяцев. Заметим, что в своей системе измерения времени и угловых величин египтяне также использовали "магические" числа додекаэдра (1 сутки = 24 (2x12) часа, 1 час = 60 минут, 1 минута = 60 секунд, 2π = 360, 1 = 60').

Появление позиционной системы обозначения чисел считается одной из основных вех в истории материальной культуры. В ее создании принимали участие целые народы. В 6 в. н.э. подобная система возникла у племени майя. Наиболее распространено мнение, что основанием системы счисления майя является число 20, имеющее "пальцевое" происхождение. Однако известно, что в системе майя есть одно отступление от двадцатеричного основания. Вес следующего за узловым числом 20 индейцы майя выбрали равным 360 (а не 400). Все последующие веса разрядов являются производными от чисел 20 и 360, которые и выступают в роли узловых чисел, образующих систему майя. Это объясняется тем, что год майя делили на 18 месяцев, по 20 дней в каждом, плюс еще пять дней. Таким образом, как и основание вавилонской системы, узловые числа системы майя имеют астрономическое происхождение. Существенно подчеркнуть, что годовой календарь майя по своей структуре (360+5) совпадал с египетским календарем. Учитывая высокий уровень развития культуры майя, можно высказать предположение, что майя были знакомы с «Платоновыми телами» и что их годовой календарь был связан с икосаэдром - правильным телом, двойственным додекаэдру. Икосаэдр представляет собой правильный 20-гранник, гранями которого были правильные треугольники (отсюда деление месяца на 20 дней в календаре майя и выбор числа 20 в качестве первого узлового числа их системы счисления). Икосаэдр имеет 30 ребер (как и у додекаэдра) и 12 вершин (30x12=360). В каждой вершине сходится 5 углов, то есть общее число углов на поверхности икосаэдра равно 5x12=60. Таким образом, числовые характеристики икосаэдра также связаны с 12-, 30- и 60-летними циклами Солнечной системы.

Для повседневных вычислений в настоящее время используется десятичная система счисления, предшественницей которой является индусская десятичная система, возникшая примерно в XII столетии нашей эры. Известный французский математик Лаплас (1749-1827) выразил свое восхищение позиционным принципом и десятичной системой в следующих словах:

"Мысль выражать все числа девятью знаками, придавая им, кроме значения по форме, еще значение по месту, настолько проста, что именно из-за этой простоты трудно понять, насколько она удивительна".

Убежденным сторонником использования индо-арабской десятичной системы счисления в торговой практике был известный итальянский математик Леонардо Пизанский (Фибоначчи), получивший математическое образование в арабских странах. В своем сочинении «Liber abaci» (1202) он писал:

"Девять индусских знаков - суть следующие: 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. С помощью этих знаков и знака 0, который называется по-арабски zephirum, можно написать какое угодно число".

Словом "zephirum" Фибоначчи передал арабское "as-sifr", являющееся дословным переводом индусского слова "sunya", то есть "пустое", служившее названием нуля. Слово "zephirum" дало начало французскому и итальянскому слову "zero" (нуль). С другой стороны, то же арабское слово "as-sifr" было передано через "ziffer", откуда произошли французское слово "chiffre", немецкое "ziffer", английское "cipher" и русское "цифра".

Что касается выбора числа 10 в качестве основания десятичной системы счисления, то существует общепринятое мнение, что оно имеет "пальцевое" происхождение. Однако не следует забывать, что в древней науке число 10 всегда несло в себе особую смысловую нагрузку. Пифагорейцы называли его четверицей или тетрактидой. Говоря словами Эмпедокла, в нем - "вечно текущей природы корень источный". Четверица 10 = 1 + 2 + 3 + 4 считалась у пифагорейцев одной из высших ценностей и являлась "символом всей Вселенной", так как содержала в себе четыре "основных элемента": единицу, или "монаду", обозначающую, по Пифагору, дух, из которого проистекает весь видимый мир; двойку, или "диаду" (2 = 1 + 1), символизирующую материальный атом; тройку, или "триаду" (3 = 2 + 1), то есть символ живого мира; и, наконец, четверку, или "тетраду" (4 = 3 + 1), соединявшую живой мир с монадой, и поэтому символизировала целое, то есть "видимое и невидимое". А поскольку тетрактида 10 = 1 + 2 + 3 + 4, то она выражала собой "все". Таким образом, гипотеза о "гармоничном" происхождении числа 10 имеет не меньшее право на существование, как и "пальцевая".

В современной науке с развитием компьютерной техники на первые роли выдвинулась двоичная система счисления. Ее зачатки наблюдаются у многих народов. Например, у древних египтян широкое распространение получили методы умножения и деления, основанные на принципе удвоения. Изобретение двоичного способа нумерации приписывают китайскому императору Фо Ги, жизнь которого относится к 4-му тысячелетию до новой эры. Оказывается, к открытию двоичной системы счисления имели отношение многие математики, в частности Фибоначчи. В своей книге «Liber abaci» он сформулировал "задачу о выборе наилучшей системы весовых гирь для взвешивания грузов на рычажных весах". В русской историко-математической литературе эта задача известна под названием Баше–Менделеева в честь французского математика 17-го века Баше де Мезириака, поместившего ее в своем «Сборнике приятных и занимательных задач» (1612 г.), и выдающегося русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева, который к концу жизни стал директором Главной Палаты мер и весов России и интересовался этой задачей по долгу своей службы.

Известно два варианта решения задачи Баше–Менделеева. Первый предполагает, что гири разрешается класть только на одну, свободную от груза чашу весов; при этом оптимальным решением является "двоичная система гирь": 1, 2, 4, 8, 16, которая при взвешивании "порождает" двоичный способ представления чисел. При втором варианте гири разрешается класть на обе чаши весов; оптимальным решением при этом является "троичная система гирь": 1, 3, 9, 27, которая при взвешивании "порождает" троичную симметричную систему счисления, которая и была положена Н. П. Брусенцовым в основу троичного компьютера «Сетунь».

Но автор двоичной арифметики в истории науки доподлинно известен: это известный немецкий математик Лейбниц (1646-1716), который в 1697 г. разработал правила двоичной арифметики. Лейбниц настолько был восхищен своим открытием, что в его честь выпустил специальную медаль, на которой были даны двоичные изображения начального ряда натуральных чисел - возможно, это был тот редкий случай в истории математики, когда математическое открытие было удостоено такой высокой почести.

Лейбниц, однако, не рекомендовал двоичную арифметику для практических вычислений вместо десятичной системы, но подчеркивал, что "вычисление с помощью двоек, то есть 0 и 1, в вознаграждение его длиннот является для науки основным и порождает новые открытия, которые оказываются полезными впоследствии, даже в практике чисел, а особенно в геометрии: причиной чего служит то обстоятельство, что при сведении чисел к простейшим началам, каковы 0 и 1, всюду выявляется чудесный порядок".

Блестящие предсказания Лейбница сбылись только через два с половиной столетия, когда выдающийся американский ученый, физик и математик Джон фон Нейман предложил использовать именно двоичную систему счисления в качестве универсального способа кодирования информации в электронных компьютерах (принципы Джона фон Неймана).

Таким образом, как подчеркивают многие выдающиеся математики, открытие вавилонянами позиционного принципа, а затем индусами десятичной системы счисления, основанной на позиционном принципе, а также разработку Лейбницем двоичной арифметики по праву можно отнести к разряду действительно эпохальных математических открытий, существенно повлиявших на развитие материальной культуры, в частности на развитие компьютерной техники.

1.2. Абак и счеты

Ручной период начался на заре человеческой цивилизации. Фиксация результатов счета у разных народов на разных континентах производилась разными способами: пальцевый счет, нанесение засечек, счетные палочки, узелки т.д.

Счет на пальцах, несомненно, самый древний и наиболее простой способ вычисления. Обнаруженная в раскопках так называемая "вестоницкая кость" с зарубками, оставленная древним человеком еще 30 тыс. лет до нашей эры, позволяет историкам предположить, что уже тогда предки современного человека были знакомы с зачатками счета. У многих народов пальцы рук остаются инструментом счета и на более высоких ступенях развития. К числу этих народов принадлежали и греки, сохраняющие счет на пальцах в качестве практического средства очень долгое время. Например, в комедии «Ос» Аристофана (конец V и начало IV века до н. э.) одно из действующих лиц доказывает своему собеседнику:

"Подсчитай попросту на руках все подати, поступающие нам от городов, да сверх того налоги, многочисленные сотые доли, судебные пошлины, рыночные сборы, морские пошлины, арендную плату и откупа. Все это вместе дает нам примерно две тысячи талантов (в год). Из этой суммы теперь положи ежегодную плату шести тысячам судей - больше пока не наберется в стране, - очевидно, получится у нас сто пятьдесят талантов".

Чтобы сделать процесс счета более удобным, первобытный человек начал использовать вместо пальцев небольшие камни. Он складывал из камней пирамиду и определял, сколько в ней камней, но если число велико, то подсчитать количество камней на глаз трудно. Поэтому он стал складывать из камней более мелкие пирамиды одинаковой величины, а из-за того, что на руках десять пальцев, пирамиду составляли именно десять камней. В Древнем Риме "камушек", "галька", "голыш" назывался "calculi", откуда произошло латинское слово "calculatore" (вычислять) и русское слово "калькуляция".

Появление приборов, использующих вычисления по разрядам, как бы предполагало наличие некоторой позиционной системы счисления – десятичной, пятеричной, троичной и т.д. К таким приборам относятся абак, русские, японские, китайские счеты.

Древнейшие из известных счетов (V-IV вв. до н. э.) - "саламинская доска" по имени острова Саламин в Эгейском море, которая у греков и в Западной Европе называлась "абак", у китайцев - "суаньпан", у японцев - "серобян".

В примитивной форме абак представлял собой дощечку, на которой проводились линии, разделявшие ее на колонки. Камешки раскладывались в эти колонки по тому же позиционному принципу, по которому кладется число на наши счеты.

Абак был "походным инструментом" греческого купца. О его коммерческом назначении свидетельствует то обстоятельство, что значения, приписываемые камешку в различных колонках, не выдержаны в постоянном числовом отношении друг к другу, а сообразованы с отношениями различных денежных единиц.

Особенного развития достигли вычисления на абаке в древнем Китае. Китайцы могли производить на абаке деления и действия с дробями, извлечение квадратных и кубических корней, на счетной доске вычислялись даже корни системы линейных уравнений.

Неудобство абака заключалось в том, что нужно было руками перекладывать камешки. В средневековом Китае догадались заменить камешки бусинками, нанизанными на прутики. Любое число бусинок можно было перебрасывать справа налево или слева направо одним движением руки, что сокращало время, затрачиваемое на вычисления. Так родились "китайские счеты", которые в Китае назывались "суаньпан".

В XVI - XVII веках русские умельцы значительно усовершенствовали китайский суаньпан, создав замечательные "русские счеты", которые получили широчайшее распространение в России и использовались еще в XX веке. Английский капитан Перри, посетивший Россию при Петре Первом, писал: "Для счета они (русские) пользуются изобретенным ими особым прибором с нанизанными на проволочные прутья шариками или бусами, которые они устраивают в ящичке или небольшой раме. Передвигая туда и сюда шарики, они справляются с делением и умножением разных сумм".

Счеты, абак и инструменты, подобные им, сохранились до наших дней. Точность и скорость счета здесь целиком зависят от самого вычислителя.

1.3. Логарифмическая линейка

Первым устройством для выполнения умножения был набор деревянных брусков, известных как палочки Непера.

В 17 веке шотландцем Джоном Непером (1550-1617 гг.) были изобретены логарифмы. Для их вычисления он предложил использовать устройство, называемое "палочками Непера", которые позволяли быстро выполнять операции умножения и деления. Наряду с палочками Непер предложил счетную доску для выполнения четырех арифметических действий, а также возведения в квадрат, извлечения квадратного корня в двоичной системе счисления, предвосхитив тем самым преимущество двоичной системы счисления для автоматизации вычислений.

Вслед за изобретением логарифмов, позволивших свести умножение чисел к сложению их логарифмов, а деление - к вычитанию, была изобретена и логарифмическая линейка. Точная дата ее изобретения неизвестна. С уверенностью можно лишь сказать, что это произошло между 1620 и 1630 годами. Авторство логарифмической линейки оспаривали между собой Уильям Отред и Ричард Деламейн. Они оба были преподавателями математики в учебных заведениях Англии. Логарифмическая линейка, по-видимому, была изобретена ими независимо друг от друга и практически одновременно. Впоследствии ученики Отреда и Деламейна разожгли между ними споры о приоритете, напрасно отравившие жизнь обоих изобретателей.

В последующие годы были предложены и использовались самые различные конструкции логарифмических линеек - в виде концентрических окружностей со шкалами, вращающимися друг относительно друга, в виде цилиндра, даже в виде спиральной линейки, что позволяло увеличить длину шкалы и точность. Наиболее близкая к современной прямоугольной линейке конструкция была предложена Робертом Биссакером в 1654 г. Его линейка состояла из трех самшитовых планок длиной около 60 см. Две внешние удерживались вместе медной оправой, а третья (движок) свободно скользила между ними. Каждой логарифмической шкале на неподвижных планках соответствовала такая же на движке. Шкалы имелись на обеих сторонах линейки.

На этом совершенствование логарифмических линеек не закончилось. В 1683 г. Томас Эверард, механик и налоговый чиновник, поместил на линейке шкалы для возведения в квадрат и куб и извлечения квадратного и кубического корней. Он же впервые нанес на шкалы "особые точки", отметив ими числа, часто встречающиеся в вычислениях: 3,14 (число ); 0,886 (сторона квадрата, равновеликого кругу единичного радиуса) и ряд других. Любопытно отметить, что такой неотъемлемый элемент современной линейки, как "бегунок", появился лишь 100 лет спустя, уже в XVIII веке.

Логарифмическая линейка не может обеспечить вычислений с очень большой точностью, но на хорошо изготовленной линейке вполне можно получить точность до третьей значащей цифры (три верных десятичных знака), а этого обычно вполне достаточно для технических расчетов, поскольку все исходные данные получаются в технике на основе опыта и измерения и имеют ограниченную точность. Измерительные приборы, используемые в технике, не дают обычно больше двух-трех верных значащих цифр, поэтому и в конечном результате четвертый, пятый и последующие десятичные знаки ненадежны, выписывать их не следует и точности, даваемой логарифмической линейкой, как правило, вполне достаточно.

Иногда против этого тезиса возражают, напоминая, что современные вычислительные машины производят вычисления со значительно большим числом десятичных знаков, но здесь дело в другом: быстродействующие вычислительные машины реализуют вычисления с огромным числом промежуточных операций, в том числе умножений, при каждом умножении многозначных чисел возникает малая погрешность округления, близкая к половине единицы последнего разряда; при огромном числе вычислительных операций ошибка от округлений быстро возрастает, поэтому для обеспечения достоверности всего трех значащих цифр в окончательном результате используют 7-9 десятичных цифр в промежуточных вычислениях. Необходимо твердо помнить, что, если машина напечатала окончательный результат с девятью десятичными цифрами, то это совсем не означает, что все напечатанные машиной цифры верны и надежны.

На важность логарифмической линейки для инженерных расчетов обращал особое внимание великий изобретатель и конструктор паровых машин Джеймс Уатт (Watt, 1736 - 1819). В вышедшей в 1827 г. книге Дж. Фарадея «Трактат о паровой машине» указывалось: "Мистер Уатт использовал логарифмические шкалы, нанесенные на линейку для вычислений, относящихся к паровым машинам. Подобные инструменты давно использовались сборщиками налогов, плотниками, но они были весьма грубо и неточно выполнены и требовали улучшений для того, чтобы их могли использовать инженеры. М-р Уатт и м-р Соутерн (математик, работавший с Уаттом) расположили ряд шкал по линейке весьма разумным образом и пригласили опытнейших специалистов для градуировки опытного образца, с которого затем были сняты копии. Впоследствии эти линейки были переданы мастерам и старшим рабочим, благодаря которым преимущества вычислений с помощью логарифмических линеек стали известны инженерам других фабрик".

Логарифмические линейки широко использовались для инженерных расчетов и в XIX, и в XX веке; они очень хорошо помогали инженерам, и только появившиеся много позже карманные калькуляторы составили им конкуренцию.

2. МЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

2.1. Машина Паскаля

Развитие механики в 17 веке стало предпосылкой вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений, обеспечивающий перенос старшего разряда.

Первая механическая счетная машина была изготовлена в 1623 г. профессором математики Вильгельмом Шиккардом (1592-1636). В ней были механизированы операции сложения и вычитания, а умножение и деление выполнялись с элементами механизации.

Но машина Шиккарда вскоре сгорела во время пожара. Поэтому cчитается, что первую механическую машину, которая могла выполнять сложение и вычитание, изобрел в 1642 г. молодой французский математик и физик Блез Паскаль (1623-1662). Она называлась «паскалина». Паскалю было тогда 19 лет и он очень хотел помочь своему отцу, интенданту Руана, которому приходилось просиживать ночи напролет над подсчетами налоговых сборов.

Машина Паскаля, над которой он работал, не жалея ни времени, ни сил, представляла собой легкий латунный ящичек размером 350x125x75 мм и являлась машиной суммирующей, предназначенной для автоматического выполнения операций сложения и вычитания (умножение и деление не предусматривались). На верхней крышке машины помещалось восемь круглых отверстий с зубчатыми колесами и круговыми шкалами. Шкала крайнего правого отверстия была разделена на 12 равных частей, шкала соседнего - на 20 частей, остальные шесть шкал имели десятичное деление. Такая градуировка была связана с назначением машины (помощь в расчете налогов) и соответствовала делению ливра - основной денежной единицы того времени - на более мелкие: 1 су = 1/20 ливра и 1 денье = 1/12 су.

Для ввода чисел и денежных сумм, которые предстояло суммировать, нужно было вставить ведущий штифт в отверстие той или иной шкалы против соответствующей цифры и повернуть зубчатое колесо по часовой стрелке до упора. Вращение каждого колеса передавалось цифровому барабану, на котором и читались цифры. Далее вводилось следующее число (или денежная сумма), и суммирование шло автоматически. Самым важным изобретением Паскаля было устройство автоматического переноса десятков, что позволяло вычислителю не тратить времени на запоминание переноса из младшего разряда в старший - в этом состояло самое существенное отличие машины Паскаля от всех предшествующих счетных инструментов (не говоря уже о том, что вместо предметного представления чисел, как в абаке или на счетах - числом камушков или косточек, - в машине Паскаля числа впервые представлялись углами поворота колеса).

Паскаль уделял своей машине много внимания. Он получил в 1649 году королевскую привилегию, которая подтверждала его приоритет в изобретении и закрепляла за ним право производить и продавать машины. Точное число изготовленных машин не установлено. До наших дней дошло 8 машин Паскаля, поэтому устройство их хорошо известно. Современники Паскаля восхищались его машиной, но широкого, массового распространения она не получила, поскольку была слишком сложной в изготовлении для мастеров-механиков XVII века. Однако она оказала большое влияние на последующих изобретателей. Машина Паскаля положила начало механическому этапу развития вычислительной техники. Ее использование способствовало формированию общественного мнения о возможности "автоматизации умственного труда".

2.2. Арифметическая машина Лейбница

Следующий огромный шаг вперед был сделан Г.Лейбницем, который начал с усовершенствования машины Паскаля, но затем сумел создать устройство, которое выполняло не только сложение и вычитание, но все четыре действия арифметики. Как писал Лейбниц Т. Бернету: "Мне посчастливилось построить такую арифметическую машину, которая совершенно отлична от машины Паскаля, поскольку дает возможность мгновенно выполнять умножение и деление над огромными числами...".

В основе машины Лейбница лежал изобретенный им особый ступенчатый валик (знаменитый "валик Лейбница") - т. е. цилиндр, на боковой поверхности которого расположено 9 ступенек разной длины. Валик Лейбница позволял ввести множимое одной установкой и широко применялся в конструкциях счетных машин вплоть до XX века.

С некоторыми усовершенствованиями эти машины, а названы они были арифмометрами, использовались до недавнего времени.

2.3. Перфокарты Жаккара

Французский ткач и механик Жозеф Жаккар создал первый образец машины, управляемой вводимой в нее информацией. В 1802 г. он построил машину, которая облегчила процесс производства тканей со сложным узором. При изготовлении такой ткани нужно поднять или опустить каждую из ряда нитей. После этого ткацкий станок протягивает между поднятыми и пущенными нитями другую нить. Затем каждая из нитей опускается или поднимается в определенном порядке и станок снова пропускает через них нить. Этот процесс многократно повторяется до тех пор, пока не будет получена нужная длина ткани с узором. Для задания узора на ткани Жаккар использовал ряды отверстий на картах. Если применялось десять нитей, то в каждом ряду карты предусматривалось место для десяти отверстий. Карта закреплялась на станке в устройстве, которое могло обнаруживать отверстия на карте. Это устройство с помощью щупов проверяло каждый ряд отверстий на карте. Информация на карте управляла станком.

Увеличение во второй половине 19 века вычислительных работ в целом ряде областей человеческой деятельности выдвинуло настоятельную потребность в вычислительной технике и повышенные требования к ней.

2.4. Вычислительные машины Бэббиджа (программное управление)

Особое место среди разработок механического этапа развития вычислительной техники занимают работы англичанина Ч. Бэббиджа, с полным основанием считающегося родоначальником и идеологом современной вычислительной техники.

Первым, кто высказал идею об универсальной вычислительной машине, способной работать по различным заложенным в нее программам, и первым, кто попытался реально построить такую машину, был английский исследователь Чарльз Бэббидж (1791 - 1871). Он родился в состоятельной семье банкира, окончил знаменитый университет в Кембридже, где был "душой общества". В 1816 году его избрали в члены Королевского общества, которое для Англии является эквивалентом Академии наук.

В 1820 году Бэббидж начал работу над вычислительной машиной, которая автоматически вычисляла бы математические таблицы. Различные таблицы - логарифмов, сложных процентов, астрономические и навигационные - широчайшим образом использовались тогда в Англии. Вычислялись и переписывались эти таблицы вручную и поэтому содержали немало ошибок и описок.

В работах Бэббиджа содержались два основных направления: проекты разностной (1822 г.) и аналитической вычислительных машин. Проект первой предназначался для табулирования полиномиальных функций методом конечных разностей.

Работа машины основана на том, что n-я разность многочлена n-й степени является постоянной. Поэтому, зная несколько начальных значений функции для равноотстоящих значений аргумента, можно рассчитать конечные разности вплоть до постоянной n-й и выполнить обратный ход - по разностям вычислить новое значение функции. Циклически повторяя расчет, можно получить таблицу функции с любым числом строк (значений аргумента). В машине Бэббиджа эти вычисления выполнялись автоматически с помощью совокупности вращающихся колес. В эту машину вводилась информация на картах.

Для изготовления машины Бэббидж использовал принцип Паскаля - т.е. зубчатые колеса на осях со сложным механизмом переноса десятков. Уже в 1822 году Бэббидж самостоятельно конструирует и изготавливает действующую модель своей машины, которая может составлять таблицы с точностью до восьмого знака для функций с постоянными вторыми разностями; машина содержала 96 зубчатых колес на 24 осях.

В 1823 году Бэббидж обращается в Министерство финансов Англии и получает 1500 фунтов стерлингов для постройки машины, которая будет составлять таблицы с точностью уже до двадцатого знака для функций с постоянными шестыми разностями. 1500 фунтов - это очень большая сумма для того времени. Ее величина говорит о том, что Министерство финансов Англии хорошо понимало, какие преимущества принесет осуществление предложений Бэббиджа. Работа над машиной началась в 1823 году и продолжалась с перерывами до 1842 года. Перерывы происходили из-за того, что первоначально выделенной суммы не хватало и Бэббиджу приходилось просить о выделении новых денег. Постройка вычислительной машины на механических элементах - сотнях и тысячах связанных между собой шестеренок и счетных колес - оказалась значительно более трудным и дорогим делом, чем это представлялось ранее. К 1842 году было израсходовано 17000 фунтов правительственной субсидии и 6000 фунтов личных денег самого Бэббиджа. Машина в целом так и не заработала, хотя отдельные ее устройства и узлы работали и не раз демонстрировались на выставках.

В ходе создания машины для вычисления таблиц Бэббидж разработал и опубликовал проект универсальной вычислительной машины, способной вычислять любые математические задачи, для которых известен алгоритм их решения.

Бэббидж указал, что универсальная машина должна состоять:

1) из арифметического устройства, выполняющего арифметические действия над вводимыми в него числами;

2) устройства "памяти" для хранения промежуточных результатов;

3) устройства управления, в котором хранится программа управления действиями машины;

4) устройства ввода исходных данных и вывода результатов расчета.

Современные вычислительные машины состоят из узлов, предсказанных впервые Бэббиджем. Так что предсказано все было правильно, направление работы было выбрано верно, но реализовать машину из не очень точных механических деталей в первой половине XIX века было слишком трудным делом.

Второй проект, основанный на использовании принципа программного управления, явился предвестником современных ЭВМ. Данный проект был предложен в 30-е годы, а в 1843 г. Адой Лавлейс для машины Бэббиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли. Оба эти достижения можно считать выдающимися и опередившими свою эпоху более чем на столетие.

В 1985 г. сотрудники Музея науки в Лондоне решили выяснить наконец, возможно ли на самом деле построить вычислительную машину Бэббиджа. После нескольких лет напряженной работы старания увенчались успехом. В ноябре 1991 г., незадолго до двухсотлетия со дня рождения знаменитого изобретателя, разностная машина впервые произвела серьезные вычисления.

2.5. Арифмометр Однера

Началом математического машиностроения можно считать изобретение русским инженером В. Однером в 1874 г. арифмометра. Из многочисленных конструкций арифмометров, предложенных изобретателями разных стран, наиболее простым и удачным оказался арифмометр, разработанный механиком из Санкт-Петербурга Вильгодтом Теофилом Однером (1845 - 1905), мастером Экспедиции заготовления государственных бумаг, производственные корпуса которой и сегодня стоят в Санкт-Петербурге на набережной Фонтанки. Основным элементом его арифмометра было своеобразное зубчатое колесо с переменным числом зубьев, получившее впоследствии название "колесо Однера". Оно позволяло легко производить ввод исходных чисел в арифмометр простым поворотом рычагов на его лицевой стороне, поскольку эти рычаги изменяли число зубьев "колес Однера".

Начав работать над своим изобретением в 1874 году, Однер через четыре года получил патент, а в 1890 году основал "Механический и меднолитейный завод для производства арифмометров". Уже в первый год своего существования завод выпустил 500 арифмометров новой конструкции, продолжая наращивать их выпуск. В 1913 году в России работало уже 22 тысячи арифмометров Однера.

В Советском Союзе модификация арифмометра под названием "Феликс" выпускалась сотнями тысяч вплоть до второй половины XX века и имела широчайшее распространение.

Арифмометр «Феликс» надежно работает при частоте вращения ручки до 250 оборотов в минуту, что позволяет достаточно быстро производить умножение и деление многозначных чисел.

Начиная с XX века получили распространение вычислительные машины, приводимые во вращение не рукой, а электродвигателем, причем электродвигатель обеспечивает и автоматическое передвижение каретки при выполнении умножения и деления. Набор чисел в таких машинах выполняется нажатием клавиш. Число оборотов вала в машинах с электроприводом достигает 1300 оборотов в минуту, что позволяет существенно увеличить скорость выполнения вычислений по сравнению с арифмометрами с ручным приводом. В качестве электропривода подобных машин используются небольшие встроенные в машину электродвигатели переменного тока на напряжение сети 220 вольт, мощностью 25 - 65 ватт.

Первоначально появление ЭВМ не очень повлияло на выпуск арифмометров прежде всего из-за различия в назначении, а также стоимости и распространенности.

2.6. Табулятор Холлерита, счетно-перфорационные машины

Электромеханический этап развития вычислительной техники явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет - от первого табулятора Г. Холлерита (1887) до первой ЭВМ ENIAC (1945). Предпосылками создания проектов этого типа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование и т.д.), так и развитие прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле). Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Исключительность устройства, разработанного американцем Германом Холлеритом, заключалась в том, что в нем впервые была употреблена идея перфокарт и расчеты велись с помощью электрического тока. Это сочетание делало машину настолько работоспособной, что она получила широкое применение в своё время. Например, при переписи населения в США, проведенной в 1890 г., Холлерит с помощью своих машин смог выполнить за три года то, что вручную делалось бы в течение семи лет, причем гораздо большим числом людей.

Значение работ Холлерита для развития вычислительной техники определяется двумя факторами. Во-первых он стал основоположником нового направления в вычислительной технике - счетно-перфорационного с соответствующим оборудованием для широкого круга экономических и научно-технических расчетов. Это направление привело к созданию машинно-счетных станций, послуживших прообразом современных вычислительных центров. Во-вторых, даже в наше время использование большого числа разнообразных устройств ввода/вывода информации не отменило полностью использования перфокарточной технологии.

3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

3.1. Релейные машины

Период электромеханического этапа развития (40-е годы 20 в.) характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, отличающихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом.

В 1831 г. Джозеф Генри (Joseph Henri, 1797 - 1878), профессор натуральной философии колледжа штата Нью-Джерси, ставшего позднее Принстонским университетом, продемонстрировал своим студентам следующий опыт. Небольшую железную подковку он обмотал тонким проводом, а посередине поместил железный стержень, свободно установленный на игле. Когда профессор подал в обмотку слабый ток, стержень повернулся, притянувшись одним своим концом к подковке, а другим ударив в миниатюрный колокол. Так родился прибор, получивший название реле, - по-видимому, в силу некой аналогии между преобразованием слабого тока в довольно существенное перемещение стержня (якоря) и сменой (relay) уставших почтовых лошадей на станциях.

Впоследствии реле нашло самое широкое применение в технике и, в частности, в аппаратуре связи. Неудивительно поэтому, что первым человеком, задумавшим использовать его в качестве основного элемента вычислительных машин, был сотрудник "Белловских телефонных лабораторий" (Bell Telephone Laboratories, или сокращенно Bell Labs) математик Джордж Роберт Стибиц (George Robert Stibitz, 1904 - 1995). Осенью 1937 г., обратив внимание на двоичный характер работы этого прибора, он у себя дома соорудил из куска доски, жестяных обрезков, коробки из-под трубочного табака, двух лампочек от карманного фонаря, двух старых реле и проводов нехитрую схему, которая питалась от батареек и могла складывать две двоичные цифры. Свой примитивный сумматор автор назвал «Model K», поскольку мастерил его в кухне (kitchen).

Демонстрация сумматора не произвела впечатления на коллег Стибица, но сам он был уверен, что на основе реле можно создать устройство, способное последовательно выполнять вычисления и запоминать их промежуточные и окончательные результаты. В частности, оно могло бы умножать и делить комплексные числа, ибо эти операции занимали много времени у сотрудников его отдела, занятых разработкой усилителей и фильтров. Руководство Bell Labs одобрило идею Стибица, но лишь в апреле 1939 г. в Нью-Йоркской лаборатории компании он вместе с инженером Сэмюэлом Б. Уильямсом (Samuel B. Williams) приступил к проектированию "Вычислительной машины, работающей с комплексными числами" (Complex Number Computer, CNC), или «Model 1». Стибиц, если воспользоваться современной терминологией, был архитектором машины, Уильямс - ее главным инженером. Изготовление CNC завершилось через шесть месяцев, а 8 января следующего (1940) года она была введена в действие. "Когда работа была закончена, - вспоминал Стибиц, - мы с Сэмом вымыли руки и вернулись к нашим повседневным занятиям, отрываясь от них время от времени для того, чтобы взглянуть на наше дитя и убедиться, что оно хорошо ест и спит". Первоначально машина могла лишь умножать и делить комплексные числа, но после незначительной модификации к этим операциям добавились сложение и вычитание.

Model 1 содержала примерно 450 двухполюсных и десять многополюсных реле (crossbar swich), которые служили для хранения входных данных и промежуточных результатов. В машине использовалась арифметика с фиксированной перед первым значащим разрядом числа запятой, а кодирование десятичной цифры осуществлялось с помощью четырех реле так, что каждая цифра п представлялась двоичным кодом п+3. Такое кодирование, упрощавшее выполнение операций переноса и вычитания, получило название "Стибиц-кода", или "кода с избытком 3". Model 1 была непрограммируемой машиной с жестко заданной последовательностью действий: каждая следующая операция начиналась после того, как заканчивалась предыдущая, поэтому можно было прервать работу машины, "...вставив, - как писал Стибиц, - зубочистку в соответствующее реле" (чуть позже функции зубочистки уже выполняла специальная кнопка). Машина работала с 10-разрядными числами, но печатались только 8 разрядов (оставшиеся два служили для округления результата). Для ввода данных и вывода результатов использовался один из трех стандартных телетайпов с модифицированной клавиатурой. CNC находилась в отдельной комнате, куда имели право входить лишь несколько сотрудников, а связь оператора с Model 1 осуществлялась дистанционно, с помощью многожильных кабелей, посредством которых к ней подключались телетайпы, установленные в специальном помещении. Быстродействие машины составляло примерно одно умножение в минуту.

Стибиц первым в мире успешно осуществил удаленный доступ к вычислительному устройству. В сентябре 1940 г. в Ганновере (штат Нью-Гемпшир), в нескольких сотнях миль от его лаборатории, должно было состояться собрание Американского математического общества. В зале заседания установили телетайп, данные с которого по телефонному кабелю вводились в машину, расположенную в Нью-Йорке (на концах кабеля находились кодер и декодер). Результаты вычислений по тому же кабелю передавались в Ганновер. Уильямс оставался у машины на случай, если она даст сбой, но все обошлось благополучно. Стибиц выступил перед собравшимися с небольшим докладом о CNC, а затем, пояснив, какую задачу она должна решить, ввел в нее исходные данные. Та несколько минут "подумала" и выдала правильный ответ.

Демонстрация произвела большое впечатление на присутствующих, среди которых были такие выдающиеся ученые, как Джон фон Нейман, Норберт Винер, Ричард Курант, и знаменовала начало эры телекоммуникации: впервые по телефонному каналу передавалось не голосовое сообщение, а кодированные машинные данные. Всем участникам собрания было предложено самостоятельно поработать за телетайпным пультом (на это отвели время с 11 часов утра до 2 часов ночи). Маститые ученые толпились у телетайпа, терпеливо дожидаясь своей очереди. Норберт Винер, например, многократно и безуспешно пытался заставить машину разделить некоторое число на нуль.

Model 1 вплоть до 1949 г. использовалась для внутренних нужд компании, где надежно работала по 12 - 13 часов в день в течение шестидневной недели. Вскоре после ее пуска Стибиц предложил построить более универсальную машину, которая автоматически вычисляла бы полиномы и другие функции. Однако, так как проектирование и изготовление даже довольно простой Model 1 обошлись в 20 тыс. долл. (астрономическая сумма, по словам Стибица), его предложение не было принято. Он ушел в Комитет по исследованиям в области национальной обороны (National Defense Research Committee, NDRC), но связей со своей бывшей лабораторией не прерывал. Когда в декабре 1941 г. США вступили в войну, в Bell Labs началась разработка прибора управления артиллерийским зенитным орудием (ПУАЗО) модели М-9. Это было сложное электромеханическое устройство, наводившее артиллерийское орудие на движущуюся воздушную цель. Для проверки точности работы М-9 проводилось моделирование стрельб, что требовало большого объема вычислений, в частности для интерполяции таблично заданных значений ряда функций. Чтобы ускорить подобные вычисления, Стибиц предложил создать специализированную вычислительную машину, которую назвали "Релейным интерполятором" (Relay Interpolator), или Model II. Разработанный под техническим руководством Э. Дж. Эндрюса (Е. G. Endrews), интерполятор был введен в действие в июне 1943 г.

В отличие от своей предшественницы он представлял собой программно-управляемую машину, в которой в качестве носителя программы использовалась стандартная пятиканальная лента (с помощью другой аналогичной ленты вводились исходные данные). Содержавшая примерно 440 реле и имевшая емкость памяти в семь пятиразрядных десятичных чисел, Model II выполняла только операции сложения и вычитания (хотя путем повторных сложений могла также перемножать небольшие двух - пятиразрядные числа - эта операция занимала примерно 4 секунды). Машина была снабжена несколькими программными лентами, что позволяло применять различные методы интерполяции.

Интерполятор работал круглосуточно и обладал высокой надежностью, которая обеспечивалась двоично-пятеричной (biquinary) системой кодирования десятичных чисел, предложенной Стибицем и его коллегами. Каждый десятичный разряд представлялся двумя цифрами; одна из них являлась цифрой пятеричной системы и принимала значения от 0 до 4, другая - цифрой двоичной системы. Таким образом, для представления любого десятичного числа требовалось семь реле, хотя в каждый момент времени включались только два. Подобная система кодирования позволяла осуществлять простой аппаратный контроль правильности работы интерполятора на каждом шаге вычислений и правильность пересылки информации; она применялась затем во всех релейных машинах Bell Labs и в ряде вычислительных машин других компаний.

Двоично-пятеричная система кодирования - это один из эмпирически найденных способов, повышающих надежность передачи данных путем добавления в них избыточности. Используя работу Стибица и его коллег в качестве отправной точки, выдающийся математик, сотрудник Bell Labs Ричард Хемминг (Richard Hamming, 1915 - 1998) в начале 50-х годов развил математически строгую теорию обнаружения ошибок и коррекции кодов. В частности, одним из распространенных способов контроля стал так называемый контроль по четности (parity check): к исходному блоку данных добавлялся один разряд, который делал передаваемый код четным; на приемной же стороне специальные цепи контролировали наличие четности и в противном случае останавливали процесс передачи информации. Хемминг показал также, что если увеличивать число добавляемых избыточных разрядов, то можно не только обнаруживать ошибки, но и корректировать их.

В мирное время Model II использовалась для решения различных инженерных и научных задач по вычислению интерполяционных значений функций и была демонтирована лишь в 1961 г.

Две следующие машины Bell Labs (Model III и Model IV) были по существу идентичны и также предназначались для систем ПВО. Однако от своей предшественницы они отличались более широкими вычислительными возможностями. Так, Model III, известная как "Баллистическая вычислительная машина" (Ballistic Computer), была установлена в июне 1944 г. в Форт-Блиссе (штат Техас) и имела емкость памяти в 10 слов, содержала 1400 реле, выполняла операцию умножения за одну секунду (путем обращения к внутренне-хранимой таблице умножения) и заменяла 25 - 40 девушек, вычислявших баллистические таблицы с помощью настольных счетных машин. Эта машина умела считывать с перфоленты таблицы нескольких переменных и не только выполняла интерполяцию, но и решала баллистические уравнения, описывающие путь воздушной цели. Стибиц вспоминал, что когда обнаруживался сбой в ее работе, "...включалось контрольное устройство и над кроватью сержанта Стоддарда дребезжал звонок". Model IV (март 1945-го) помимо этого вычисляла значения тригонометрических функций. Вместе обе машины выполняли работу ста вычислителей с настольными счетными машинками и находились в эксплуатации полтора десятка лет.

Наиболее значительной разработкой Bell Labs стала универсальная релейная вычислительная машина Model V, изготовленная в двух экземплярах уже после окончания войны: один из них в декабре 1946 г. был установлен в Национальном консультационном комитете по аэронавтике (National Advisory Committee on Aeronautics, NACA) в Лэнгли-Филде (штат Виргиния), второй – в августе 1947-го в Лаборатории баллистических исследований (Ballistic Research Laboratory, BRL), расположенной на Эбердинском полигоне (штат Мэриленд).

Model V была построена на 9000 реле и имела в своем составе все блоки, предусмотренные структурой аналитической машины. Запоминающее устройство состояло из тридцати 8-разрядных регистров, для ввода данных и управления работой использовались отдельные перфоленты, числа представлялись в форме с плавающей запятой, а с помощью специальных блоков можно было извлекать квадратный корень и вычислять такие функции, как sin(x), log(x), 10x. Машина содержала два идентичных арифметических устройства (АУ), с каждым из которых было связано 15 регистров памяти. Это позволяло либо одновременно решать две различные задачи, либо объединить оба АУ для выполнения более сложных вычислений. В процессе работы в машину могла быть загружена новая программа, к исполнению которой приступало свободное АУ. Кроме того, предусматривалась возможность одновременного использования нескольких программных перфолент: в зависимости от результатов промежуточных вычислений устройство управления подключало одну из них, что позволяло организовать своеобразное ветвление программы (реализовать условный переход управления). Это же устройство, по существу выполнявшее задачи простой операционной системы, занималось распределением задач между отдельными устройствами. Время выполнения арифметических операций Model V характеризовалось следующими цифрами: сложение - 0,3 с, умножение - 0,8, деление - 2,7, извлечение квадратного корня - 4,5 с. Она весила около 10 тонн и обошлась заказчикам в 500 тыс. долл.

Последней релейной машиной Bell Labs стала Model VI - упрощенная версия предыдущей модели (в частности, она содержала только одно АУ и имела небольшую систему команд). Model VI была изготовлена в 1949 г. для внутренних нужд Bell Labs и содержала 4600 реле и 86 тиратронов. С этой моделью закончилась история создания белловских релейных машин.

Вклад их создателей в развитие идей вычислительных технологий значителен: кодирование десятичных чисел "кодом с избытком 3" и двоично-пятеричным кодом, положившее начало разработке теории обнаружения ошибок и коррекции кодов; первая реализация дистанционного доступа к ЭВМ; использование двух арифметических устройств, расширявшее функциональные возможности машины; работа с несколькими программными перфолентами, позволявшая осуществлять ветвление программы.

Немалое значение для зарождающегося компьютерного сообщества имело и то обстоятельство, что вышедшие из стен Bell Labs машины успешно эксплуатировались в течение многих лет, несмотря на очевидные недостатки их элементной базы (реле): сравнительно невысокое быстродействие, подверженность спорадическим отказам при попадании грязи и пыли между контактами, так называемые явления их подгорания и залипания. В телефонии такие отказы не столь критичны (обычно предусматриваются переключение абонента на другую линию и иные виды сервиса), но в вычислительной технике они могут привести к неверным результатам и катастрофическим последствиям (особенно при их использовании в военных целях). Именно поэтому в релейные машины вводилась схемотехническая избыточность, позволяющая определять правильность функционирования отдельных блоков; применялись методы коррекции ошибок; перед пуском программы выполнялись специальные тесты; использовался двойной счет и т. д. В конечном счете все это и удорожало машину, и увеличивало эксплуатационные затраты.

В 40-е и в следующей декаде прошлого века релейные машины продолжали разрабатываться в США, Японии и ряде европейских стран, хотя уже были созданы и выпускались ЭВМ, которые вовсю "трудились" в самых разнообразных областях бизнеса, науки и инженерии. Это можно объяснить несколькими причинами:

- реле были сравнительно дешевы, обладали механической прочностью, выпускались в больших объемах во многих странах; был также наработан и немалый опыт их эксплуатации в системах связи, в автоматике и т. д.;

- электронные же лампы до начала 50-х годов были довольно дороги, при том что их надежность также оставляла желать лучшего; они были энергоемки и выделяли много тепла, для отвода которого использовались дорогостоящие кондиционеры; кроме того, в некоторых странах лампы не выпускались в промышленных масштабах и их приходилось импортировать;

- в компаниях и университетах, пытавшихся реализовать проекты в области вычислительной техники, наблюдалась нехватка специалистов-электронщиков, которые продолжали работать либо в оборонной промышленности, либо на высокооплачиваемых должностях в потребительской (consumer) электронике;

- разработка релейных машин занимала, как правило, значительно меньше времени, чем разработка ЭВМ;

- для многих завоевавших впоследствии известность компьютерщиков релейные машины были своеобразным макетом, на котором они могли опробовать некоторые свои архитектурные и схемотехнические идеи (заметим, что только японские релейные машины дошли до промышленного производства и выпускались мелкими сериями).

3.2. Первые электромеханические вычислительные машины

Австрия. В 1947 - 1952 гг. ассистент, а затем профессор Венского технического университета Хайнц Земанек (Heinz Zemanek) из 700 телефонных реле построил «Универсальную счетную машину 1» (Universalrechenmachine 1, URR 1).

Великобритания. В этой стране было разработано несколько моделей релейных машин, самой известной из которых стала «Автоматическая релейная вычислительная машина» (Automatic Relay Computer), построенная в 1948 г. Эндрю Дональдом Бутом (Andrew Donald Booth; р. 1918) в одном из колледжей Лондонского университета. Главной ее особенностью было использование в качестве оперативной памяти накопителя на магнитном барабане емкостью 256 двоичных 21-разрядных слов.

Венгрия. В 1955 - 1958 гг. под руководством Ласло Козмы (Laszlo Kozma, 1902 -1983) в Венгерском политехническом институте была разработана и изготовлена релейная вычислительная машина MESz-1, содержавшая 2000 реле и введенная в регулярную эксплуатацию в 1959-м.

Это была программно-управляемая одноадресная автоматическая машина, выполнявшая 16 команд над 27-разрядными числами с плавающей запятой. Она не относилась к типу машин с "принстонской архитектурой", иначе говоря, программа и исходные данные не хранились во внутренней памяти, а содержались на перфокартах. Данные кодировались в десятичной системе, но после ввода в машину преобразовывались в двоичную форму (для вывода на печать выполнялось обратное преобразование). Небольшое релейное запоминающее устройство емкостью в 12 слов предназначалось для хранения констант.

Нидерланды. 21 июня 1952 г. в Математическом центре Амстердама была введена в действие «Амстердамская автоматическая счетная машина» (Automatische Relais Rekenmachine Amsterdam, ARRA I). Ее разработчиками были молодые ученые Брам Ян Лоопстра (Bram Jan Loopstra) и Карел С. Шолтен (Carel S. Scholten), впоследствии ставшие известными компьютерщиками. Выдающийся программист Э. Дейкстра, работавший в то время в Математическом центре, вспоминал: "Машина была столь ненадежна, что практически не использовалась, хотя и была официально представлена с большой помпой и церемониями".

СССР. Советская «Релейная вычислительная машина» РВМ-1 была сконструирована и построена в 1954 - 1957 гг. под руководством Николая Ивановича Бессонова (1906 - 1963) в Институте теоретической и экспериментальной физики АН СССР.

Она содержала 5,5 тыс. реле и работала в двоичной системе с числами с плавающей запятой (для мантиссы отводилось 27, а для порядка - 6 разрядов). Благодаря применению так называемого каскадного принципа выполнения арифметических операций, изобретенного Бессоновым, удалось заметно повысить быстродействие машины, выполнявшей свыше двадцати умножений в секунду. В РВМ-1 широко использовались выборки функций по аргументу из статической памяти и специальные вспомогательные устройства и команды. Это позволило в несколько раз уменьшить количество действий при вычислении элементарных функций, переводе чисел из десятичной системы в двоичную и обратно.

Особенно удобным оказалось решение на машине задач экономического характера, где требовалась обработка очень больших массивов информации (вводившейся с перфокарт) с небольшим числом однообразных операций над каждой отдельной единицей данных. Поэтому в 1961 - 1962 гг. на РВМ-1 выполнялись расчеты для новой системы ценообразования. Целый ряд технических усовершенствований настолько улучшил ее надежность и эксплуатационные качества, что она проработала до 1965 г., конкурируя с уже действовавшими ЭВМ.

США. Одна из самых известных американских релейных машин была создана в Гарвардском университете под руководством Говарда Айкена (Howard Aiken, 1900 - 1973) и называлась Harvard Mark II Calculator (иногда ее именуют Aiken Relay Calculator, ARC). Работа над машиной, предназначавшейся для военно-морского полигона в Дальгрене (штат Виргиния), завершилась в 1947 г.

Mark II содержала примерно 13 тыс. реле и подобно белловской Model V имела два АУ, которые могли работать порознь или совместно. В машине использовалась арифметика с плавающей запятой, а числа представлялись в двоично-десятичном коде, поэтому для представления 10-разрядной десятичной мантиссы требовалось 4x10 двоичных разрядов (и соответственно - реле). Еще четыре реле служили для представления показателя и два - для хранения знака мантиссы и показателя. Таким образом, каждый из ста регистров машины содержал 46 реле. На выполнение операций сложения и вычитания уходило около 0,2 с. Умножение выполнялось в отдельном устройстве и в среднем требовало одной секунды, а операция деления была заменена вычислением приближенных значений обратных величин. В машине предусматривались специализированные устройства для вычисления различных стандартных функций. Так же как в Mark I, для управления вычислительным процессом использовалась бумажная перфолента, а вывод результатов осуществлялся на печать.

Машина Айкена, "трудившаяся" в Дальгрене без малого десять лет, заметного следа в истории вычислительной техники не оставила, если не считать одного забавного эпизода. Он произошел 9 сентября 1947 г. во время отладки Mark II, в которой участвовала выдающаяся впоследствии программистка Грейс Мюррэй Хоппер (Grace Murray Hopper, 1906 - 1992). Вот как пишет об этом американский журналист: "Однажды таинственная неисправность заставила замолчать громыхающую махину. После тщательно проведенного исследования программисты установили, что контакты одного из реле были заблокированы останками мотылька, неведомо как проникшего через лабиринт электрических цепей. С предельной осторожностью мотылька извлекли пинцетом, а это событие зафиксировали в журнале, который по распоряжению командования ВМС США педантично заполнялся на протяжении всей работы над машиной. Сопроводительная подпись гласила: "Первый достоверный случай обнаружения насекомого" [bug]. Позднее Хоппер вспоминала: "Когда к нам зашел офицер, чтобы узнать, чем мы занимаемся, мы ответили, что очищаем компьютер от насекомых [debugging]”. Термин "дебаггин" (отладка) с тех пор прижился и стал использоваться для обозначения поиска неисправностей в компьютере, особенно в программном обеспечении.

Чехословакия. В 1950 г. в Научно-исследовательском институте математики Академии наук ЧССР была организована Лаборатория математических машин, которую возглавил выдающийся чешский ученый Антонин Свобода (Antonin Svoboda, 1907 - 1980). Здесь под его руководством началась разработка релейной "Автоматической вычислительной машины" (SAPO – Samocinny Pocitac). Работа была завершена через три года в Научно-исследовательском институте математических машин, в который была преобразована лаборатория Свободы. SAPO стала предшественницей так называемых отказоустойчивых систем (Fault Tolerance Systems), которые начали активно разрабатываться в середине 70-х.

Швеция. Летом 1946 г. профессор электротехники Чалмеровского технического института в Гётеборге Стиг Эклоф (Stig Ekelof, 1904 - 1993) отправился в научную командировку в Америку. Посетив Принстон, он познакомился с Голдстайном, который вызвался показать гостю ENIAC, находившуюся тогда в Пенсильванском университете. Электронный гигант произвел большое впечатление на Эклофа, хотя многое в работе ЭВМ осталось ему непонятным, в чем он искренне признавался: "...Боюсь, что я еще нахожусь на уровне знаний того пожилого человека, который, впервые увидев электрическую лампочку, сказал, что ему все абсолютно понятно в ее работе, за исключением одного: как масло может проходить через такие тоненькие проволочки".

Вернувшись на родину, Эклоф стал одним из организаторов (ноябрь 1948 г.) государственного Совета по математическим машинам (Matematikmaskinnamden). Усилиями его сотрудников - Карла-Эрика Фроберга (Carl-Erik Froberg), Эрика Стемме (Eric Stemme), Госты Неовиуса (Gosta Neovius) и других - были разработаны две машины: электронная и релейная. Последняя называлась «Двоичной автоматической релейной вычислительной машиной» (Binar RelaKalkylator, BARK) и была введена в действие в конце апреля 1950 г. Она строилась на 5000 стандартных телефонных реле (по другим данным - на 8000), имела оперативную память емкостью 50 двоичных 32-разрядных чисел и дополнительную память, хранившую значения 100 констант. Машина выполняла операции сложения и умножения за 150 и 250 мс соответственно и находилась в эксплуатации до 22 сентября 1954 г.

Япония. В 1952 г. сотрудники Электротехнической лаборатории (ELT) министерства связи Гото Мочинори (Mochinori Goto, 1905 - 1992), Комамийа Ясуо (Yasuo Komamiya, 1922 - 1993) и Риоюта Суекане (Ryouta Suekane, 1925 - 1987) разработали небольшую релейную машину ELT MARK I, которая программировалась с помощью штекерного набора на коммутационной доске и была первой в Японии автоматической вычислительной машиной.

Позднее (ноябрь 1955 г.) вместе с несколькими сотрудниками лаборатории они создали ELT MARK II, содержавшую 20000 реле, имевшую оперативную память емкостью 256 слов и внешнее запоминающее устройство на трех перфолентах для хранения программ и исходных данных. Машина работала с числами, представленными в двоичной системе с фиксированной или плавающей запятой.

Работами ELT заинтересовалась компания Fujitsu Ltd., которая ранее выпускала в основном средства связи, но вскоре после появления ELT MARK I решила попытать счастья в вычислительном бизнесе. Ее первая релейная машина была установлена на Токийской фондовой бирже, но не прижилась, и ее заменили американской UNIVAC 120. Следующая релейная машина компании - "Автоматическая вычислительная машина Фуджитсу-100" (Fujitsu Automatic Computer-100, FACOM-100) предназначалась для научных и инженерных вычислений (в ней десятичные числа представлялись двоичным "кодом с избытком 3"). Она была разработана под руководством технического директора Fujitsu Оми Ханзо (Omi Hanzo, 1901 - 1985) и выпущена в октябре 1954-го. FACOM-100 стала первой японской вычислительной машиной, поступившей в свободную продажу. Она изготовлялась мелкими сериями и успешно эксплуатировалась в течение десятка лет.

Разработку последней релейной машины компании - FACOM 128, появившейся в сентябре 1956 г., и нескольких ее последующих модификаций возглавил выдающийся японский инженер Икеда Тосио (Ikeda Toshio, 1923 - 1974). В машине использовались асинхронный принцип работы, двоично-пятеричная система кодирования десятичных чисел, индексные регистры, развитая система контроля над правильностью выполнения операций. Специально для правительственного статистического бюро машина была существенным образом переработана. В частности, в ее состав было включено 20 пар клавиатур и два арифметических устройства. Два оператора вводили со своих клавиатур данные, которые временно запоминались в регистрах и сравнивались между собой, а в случае расхождения стирались, и операция ввода повторялась. Каждое АУ воспринимало в асинхронном режиме данные с 20 клавиатур и выполняло их последовательное сложение.

3.3. Проекты Цузе и Айкена

Наиболее крупные проекты данного периода были выполнены в Германии (К. Цузе) и США (Д. Атанасов, Г. Айкен и Д. Стилиц). Их проекты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ.

Электрорелейные компьютеры предшествовали появлению ЭВМ и создавались в первой половине 40-х годов прошлого века. Наиболее известны электрорелейные машины К. Цузе (Германия) и Г. Айкена (США).

В проекте вычислителя Z-3, созданного в 1941 г. в Германии Конрадом Цузе (1910-1995), использованы двоичное представление информации и преобразование десятичных кодов в двоичные, выполнялось 8 команд, в число которых входили 4 арифметических действия и извлечение квадратного корня. Операции выполнялись с плавающей запятой. Время сложения составляло 0,3 с, умножения - 4 с, емкость памяти (на релейных схемах) состояла из 64 22-разрядных чисел, 7 разрядов отводились для порядка и один разряд - для знака числа. Программа хранилась на перфоленте. Машина применялась главным образом для проверочных расчетов в области аэродинамики.

Одна из модификаций модели Z-3 с фиксированным алгоритмом в течение двух лет функционировала в контуре системы автоматического управления технологическим процессом на линии сборки летающих снарядов. Для этого применялось устройство считывания данных с объекта и преобразования их в цифровую форму. Этим было положено начало использованию ЦВМ в качестве управляющих вычислительных машин.

Большую известность получила машина Марк-1 (1944 г.), созданная Говардом Айкеном (Howard Aiken) (1900-1973) на механических и электрорелейных элементах наподобие машины Ч. Бэббиджа.

В 1944 году Говард Айкен с командой из четырех инженеров закончил свой пятилетний проект "Вычислительной машины с автоматическим управлением последовательностью операций" (ACCK) и назвал ее Mark-1. Впоследствии, завершив "военную службу", на которой ему приходилось рассчитывать сложные баллистические таблицы, Mark-1 проработал еще 15 лет в Гарвардском университете, помогая составлять математические таблицы и решая самые разнообразные задачи, от создания экономических моделей до конструирования электронных схем компьютеров. Замечательно, что автором был человек, широтой своих интересов - инженер, математик, физик - напоминающий Чарльза Бэббиджа. С идеями великого англичанина Айкен познакомился случайно, спустя три года после начала работы над Mark-1. Пораженный предвидением Бэббиджа, он писал: "Живи Бэббидж на 75 лет позже, я остался бы безработным!".

Говард Гатуэй Айкен в 1937 году начал работать в Гарвардском университете над тезисами своей диссертации. Нетипичным был и его путь в науку. Закончив военно-техническую школу в Индианаполисе, Айкен поступил в Висконсинский университет, где в 1923 году получил степень бакалавра в области электротехники. Но молодого инженера тянуло к “основам науки” – математике и физике, и в 1931 году он снова становится студентом, на этот раз Чикагского университета. В следующем году, окончательно порвав с Вестингаузом, он переходит в Гарвард, где завершает свое научное образование. Теоретическая часть диссертации Айкена содержала решение так называемых обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Чтобы сократить вычислительную работу, Айкен начал придумывать несложные машины для автоматического решения частных задач. В результате он пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг научно–технических задач.

В Mark-1 использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические - для управления работой машины. Числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубных счетных колес. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа (то есть Mark-1 мог "перемалывать" числа длиной до 23 разрядов), а одно - для представления его знака. Регистр имел механизм передачи десятков и поэтому использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре число могло быть передано в другой регистр и добавлено к находящемуся там числу (или вычтено из него). Всего в Mark-1 было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы - числа, которые не изменялись в процессе вычислений.

Умножение и деление производились в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные блоки для вычисления sin(x), 10x и log(x). Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание - 0,3 секунды, умножение - 5,7 секунды, деление - 15,3 секунды. Таким образом, Mark-1 был "эквивалентен" примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами.

Работой Mark-1 управляли команды, вводимые с помощью перфорированной ленты. Каждая команда кодировалась посредством пробивки отверстий в 24 колонках, идущих вдоль ленты, и считывалась с помощью контактных щеток. Совокупность электрических сигналов, полученных в результате "прощупывания" позиций данного ряда, определяла действие машины на данном шаге вычислений. После завершения операции лента сдвигалась и под щетки попадал следующий ряд отверстий. В одной перфоленте Айкен объединил два типа бэббиджевских перфокарт - операционные карты и карты вычислений.

3.4. Аналоговые вычислительные машины

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) все математические величины представляются как непрерывные значения каких-либо физических величин. Главным образом, в качестве машинной переменной выступает напряжение электрической цепи. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения заданных функций.

В отличие от дискретной в основе аналоговой вычислительной техники заложен принцип моделирования, а не счета. При использовании в качестве модели некоторой задачи электронных цепей каждой переменной величине задачи ставится в соответствие определенная переменная величина электронной цепи. При этом основой построения такой модели является изоморфизм (подобие) исследуемой задачи и соответствующей ей электронной модели. Из теории моделирования хорошо известно, что идентичность двух математических зависимостей изучаемого объекта и его модели не обеспечивает абсолютной аналогичности их поведения. Для обеспечения возможности моделирования изучаемого объекта необходимо соблюдать определенные критерии подобия, позволяющие по значениям параметров модели определять значения соответствующих величин исследуемого объекта. В большинстве случаев при определении критерия подобия используются специальные приемы масштабирования соответствующих значений параметров модели и переменных задачи. Согласно своим вычислительным возможностям АВМ наиболее приспособлены для исследования объектов, динамика которых описывается обыкновенными и в частных производных дифференциальными уравнениями, а также алгебраическими и некоторыми другими типами уравнений. Следовательно, относительно класса решаемых задач АВМ носят специальный характер, в отличие от универсального характера ЭВМ.

Современные АВМ можно условно разбить на два класса: специального и общего назначений. Специальные АВМ ориентированы на решение отдельных задач или одного класса задач, описываемых, как правило, обыкновенными дифференциальными уравнениями в форме задачи Коши с начальными условиями. АВМ этого типа имеют фиксированную или коммутируемую архитектуру. Первая, являясь основной для специальных и базовых АВМ, предусматривает жесткую коммутацию между функциональными блоками АВМ, тогда как вторая допускает коммутацию блоков, выполняющих различные математические операции, что дает возможность моделировать различные дифференциальные уравнения, описывающие широкие классы решаемых задач. Такого типа архитектура АВМ является наиболее типичной. Класс специальных АВМ составляют, в основном, управляющие, бортовые и ориентированные на решение отдельных задач машины.

АВМ общего назначения служат для решения широкого класса задач моделирования и их архитектура, как правило, базируется на использовании методов сеток или сплошных сред. Два последних метода позволяют решать широкий класс задач, описываемых уравнениями в частных производных (задачи гидродинамики, теплопроводности, аэродинамики, моделирования атмосферы и др.).

Метод сеток базируется на использовании электрических сеток с сосредоточенными в узлах параметрами. При решении таких задач дифференциальные уравнения предварительно преобразуются в систему линейных алгебраических уравнений по методу конечных разностей. Данный метод достаточно универсален и широко используется в архитектурных решениях АВМ общего назначения.

Метод сплошных сред базируется на использовании электрических процессов в некоторой сплошной проводящей среде (электропроводная бумага, электролит и др.); он достаточно точен и прост, но его использование носит более узкий характер, ибо ограничивается, в основном, дифференциальными уравнениями Лапласа. Функциональные блоки АВМ должны выполнять весь комплекс математико-логических операций, требующихся для реализации моделей решаемых задач.

АВМ общего назначения условно делятся на три больших класса по их вычислительным возможностям решать задачи, описываемые дифференциальными уравнениями n-го порядка: малые (n  10; МН-10М, АВК-31, МПТ-9 и др.), средние [10< n  20; АВК-2(2), АВК-32, PACER-600 и др.] и большие [n > 20; АВК-2(5), ЭМУ-200, PACER-700].

Достоинства АВМ:

- высокая скорость решения задач, соизмеримая со скоростью прохождения электрического сигнала;

- простота конструкции АВМ;

- лёгкость подготовки задачи к решению;

- наглядность протекания исследуемых процессов, возможность изменения параметров исследуемых процессов во время самого исследования.

Недостатки АВМ:

- малая точность получаемых результатов (до 10 %);

- алгоритмическая ограниченность решаемых задач;

- ручной ввод решаемой задачи в машину;

- большой объём задействованного оборудования, растущий с увеличением сложности задачи.

4. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

Первые ЭВМ появились более 60 лет назад. За это время электроника, микроэлектроника и вычислительная техника стали основными составляющими мирового научно-технического прогресса.

Исторически принято выделять следующие поколения ЭВМ:

1-е поколение – ламповые ЭВМ;

2-е поколение – полупроводниковые ЭВМ;

3-е поколение – ЭВМ, построенные на интегральных схемах;

4-е поколение – ЭВМ на базе БИС и СБИС.

Деление компьютерной техники на поколения - весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.

4.1. Первые ЭВМ (до 1960 г.) и их разработчики

Все ЭВМ первого поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только правительства и крупные корпорации. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электронно-лучевых трубок.

Эти неудобства преодолевались путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Наиболее известные компьютеры первого поколения следующие.

ENIAC (1946 г.). Первой электронной вычислительной машиной обычно называют «ЭНИАК» (ENIAC - Electronical Numerical Integrator and Calculator), разработка которой велась под руководством Д. Моучли (John Mauchly) (1907-1980) и Д. Эккерта (John Eckert) (1919-1995) и закончилась в 1946 г., хотя приоритет Моучли и Эккерта оспорен Д. Атанасовым.

В июне 1943 года артиллерийское управление заключило договор с Пенсильванским университетом на постройку «Электронной машины для расчета баллистических таблиц». Руководителем работ был назначен Моучли, а главным инженером - Эккерт. Всего 10 инженеров, 200 техников и большое число рабочих в течение двух с половиной лет трудились над созданием ENIAC. Предназначавшийся для военных целей ENIAC был закончен через 2 месяца после капитуляции Японии. Это было огромное сооружение (более 30 м в длину, площадь 120 м2 и вес 30 т), состоящее из 40 панелей, расположенных П-образно и содержащих более 18000 электронных ламп и 1500 реле. Машина потребляла около 150 кВт энергии.

Как только появился ENIAC, к машине Mark-1 стали относиться как к старому драндулету: использование электронных ламп вместо механических и электромеханических элементов позволило резко увеличить скорость выполнения машинных операций. ENIAC тратил на умножение всего 0,0028 секунды, а на сложение и того меньше - 0,0002 секунды. Основными схемами машины были так называемые ячейки "и", действовавшие как переключатели, ячейки "или", предназначавшиеся для объединения на одном выходе импульсов, идущих от разных источников, и, наконец, триггеры.

В машине ENIAC 10 триггеров соединялись в кольцо, образуя десятичный счетчик, который исполнял роль счетного колеса механической машины. 10 таких колец плюс 2 триггера для представления знака числа образуют запоминающий регистр. Всего в ENIAC было 20 таких регистров. Каждый регистр снабжен схемой передачи десятков и мог быть использован для операций суммирования и вычитания. Другие арифметические операции выполнялись в специализированных блоках. Помимо памяти на триггерных ячейках, в машине имелся блок механических переключателей, на котором вручную могло быть установлено до 300 чисел. Числа передавались из одной части машины в другую посредством 11 проводников, по одному для каждого десятичного разряда и знака числа. Значение передаваемой цифры равнялось числу импульсов, прошедших по данному проводнику. Работой отдельных блоков машины управлял задающий генератор, который определял последовательность тактовых и синхронизирующих импульсов, эти импульсы "открывали" и "закрывали" соответствующие электронные блоки машины.

Ввод чисел в машину производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штекеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, т.е. для соединения на наборном поле (коммутационной доске) отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные "способности" ENIAC и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин.

Солдаты, приписанные к этой огромной машине, постоянно находились возле нее, скрипя тележками, доверху набитыми электронными лампами. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же вставал, и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Одной из причин - возможно, и не слишком достоверной - столь частой замены ламп считалась такая: их тепло и свечение привлекали мотыльков, которые залетали внутрь машины и вызывали короткое замыкание. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключение 6000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, когда вставала другая задача.

ABC (1942 г.). Юридически приоритет создания первой ЭВМ решением суда в 1973 году был отдан американскому ученому болгарского происхождения Джону Атанасову (1903-1995). Профессор колледжа штата Айова Д. Атанасов в конце 30-х годов начал работать над созданием цифрового компьютера с использованием двоичной системы счисления. Машина строилась на электронных лампах и электромеханических компонентах. Кроме того, Атанасов изобрел, в частности, регенеративную память на конденсаторах – прообраз современных динамических ОЗУ.

В 1939 году Атанасов вместе со своим аспирантом Клиффордом Берри приступил к настройке ЭВМ, предназначенной для решения систем линейных алгебраических уравнений с 30 неизвестными. Машина получила название Эй-Би-Си. Весной 1942 года работа в основном была закончена. Исходные данные должны были вводиться через стандартные перфокарты в десятичной форме. Затем в машине выполнялось преобразование в двоичный код, в котором проводились все вычисления. Каждое машинное слово состояло из 50 разрядов. Машина содержала более 300 ламп и занимала столько же площади, как большой канцелярский стол. Однако в 1942 году Атанасов перешел на другую работу и проект был закрыт.

В 1940 году его лабораторию посетил Моучли во время научной конференции. Ряд идей был использован при создании машины ENIAC, о чем Атанасов узнал случайно из газет через 20 лет. Суд длился 7 лет, в результате чего первой ЭВМ была признана машина ABC, а не ENIAC.

Однако следует отметить, что ABC был экспериментальным компьютером (демонтирован в 1942 году), ЭНИАК активно использовался до 1955 года (почти 10 лет).

EDSAC (1949 г.). Первая машина с хранимой программой - «Эдсак» (EDSAC - Electronic Delay Storage Automatic Computer, т.е. электронный
автоматический вычислитель с памятью на линиях задержки) была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс.

Глава математической лаборатории Кембриджского университета Морис В. Уилкс в 1947 г. принялся за разработку нового компьютера EDSAC, которая была закончена в 1949 г. Как и многие другие первые компьютеры, EDSAC был очень капризным в работе. Один из программистов вспоминал, что даже шум самолета, летящего за облаками, мог вызвать его остановку. После каждого ремонта для запуска компьютера в него загружали серию “исходных приказов”. Эта процедура сопровождалась характерным жужжанием, которое служило своего рода сигналом для всех желающих поработать на компьютере.

Вначале EDSAC мог выполнять лишь 18 основных действий (современные компьютеры имеют в своем “репертуаре” более 200 команд), каждое из которых кодировалось определенной комбинацией нулей и единиц. С самого начала проектировщики EDSAC решили не заставлять программистов использовать в программах только машинные коды. Вместо этого они ввели систему мнемоники, где каждая машинная команда представлялась одной заглавной буквой. Так, S обозначала «вычитание», I – «прочитать следующий ряд отверстий на входной бумажной ленте», T – «передать информацию в память», а Z – «остановка машины».

EDVAC (1950 г.). Проектирование EDVAC началось ещё до того, как заработал ENIAC. К разработчикам ENIAC (Эккерту и Моучли) присоединился Джон фон Нейман и несколько других специалистов.

С именем американского ученого Джона фон Неймана (1903-1957) связывают основополагающие принципы построения ЭВМ первых поколений. Интерес фон Неймана к компьютерам связан с его участием в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы в США (лаборатория в Лос-Аламосе). В 1946 году он опубликовал статью, в которой были изложены принципы построения архитектуры ЭВМ, получившей название фоннеймановской архитектуры. Фон Нейман начал работу в группе Моучли и Эккерта в то время, когда конструкция ЭНИАК уже была разработана. Машина EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer - ЭВМ с дискретными переменными) имела фоннеймановскую архитектуру. Работа над этим проектом была закончена в 1950 году.

МЭСМ (1951 г.) – «малая электронная счетная машина» была первой отечественной универсальной ламповой ЭВМ в СССР. Начало работ по созданию - 1948 г., завершение работ - 1950 г., официальный ввод в эксплуатацию - 1951 г. МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе в 1952-1953 гг. Эта машина разработана в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. Принципы построения МЭСМ были разработаны С.А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе. Коллектив сотрудников, создавших МЭСМ, стал ядром организованного на базе лаборатории С.А. Лебедева Вычислительного центра НАН Украины, а впоследствии - Института кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины. Конструктивно была изготовлена в виде макета.

Работа по созданию машины носила научно-исследовательский характер и имела целью экспериментальную проверку общих принципов построения универсальных ЦВМ. Основные параметры машины таковы: быстродействие – 50 операций в секунду; емкость оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) – 31 число и 63 команды; представление чисел – 16 двоичных разрядов с фиксированной перед старшим разрядом запятой; команды трехадресные, длиной 20 двоичных разрядов (из них 4 разряда – код операции); рабочая частота – 5 килогерц; машина имела также постоянное (штекерное) запоминающее устройство (ЗУ) на 31 число и 63 команды; была предусмотрена также возможность подключения дополнительного запоминающего устройства на магнитном барабане емкостью в 5000 слов. ОЗУ было построено на триггерных регистрах, арифметическое устройство – параллельного действия, чем, в основном, и объясняются сравнительно большие аппаратные затраты (только в ОЗУ было использовано 2500 триодов и 1500 диодов). Потребляемая мощность составляла 25 кВт, машина размещалась на площади 60 м2.

Обладая низким быстродействием и малой емкостью ОЗУ, МЭСМ, тем не менее, была алгоритмически довольно развитой и, кроме того, содержала в своей структуре некоторые особенности, представляющие интерес и сейчас. Так, непосредственно связанное с арифметическим устройством ОЗУ было построено на таких же триггерах, как и устройство управления и арифметическое устройство, и могло непосредственно связываться с медленно действующим ЗУ на магнитном барабане. Машина имела сменное долговременное ЗУ для хранения числовых констант и неизменных команд. Опыт, накопленный в процессе разработки машины, был использован при создании машины БЭСМ (см. далее), а сама МЭСМ рассматривалась в качестве действующего макета, на котором отрабатывались принципы построения БЭСМ.

Несмотря на невысокие технические характеристики МЭСМ, выбранные с учетом ее назначения, проводилась эффективная эксплуатация машины, в процессе которой было решено большое количество научно-технических и народно-хозяйственных задач. Решение ряда задач играло важную роль для многих отраслей науки и техники начала 50-х гг. Создание и эксплуатация МЭСМ явились также решающим стимулом для развития программирования и разработки широкого круга вопросов вычислительной математики.

UNIVAC-1 (1951 г.). В 1951 году Моучли и Эккерт разрабатывают машину UNIVAC-1 (Universal Automatic Computer), предназначенную для решения разнообразных задач бизнеса. UNIVAC стал первым серийным компьютером (с хранимой программой), нашедшим применение в различных сферах деятельности человека. UNIVAC-1 был впервые запущен в работу 14 июня 1951 года в Бюро переписи населения США. Считается, что именно UNIVAC положил начало компьютерному буму.

В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации. Компьютер мог содержать максимум 12 Мбайт данных, работал с тактовой частотой 0,008 МГц и требовал для установки 27 м3 пространства. Несмотря на свой размер, вскоре эта машина стала очень популярным устройством для вычислений, позволявшим решать тысячи уравнений в секунду. Один из первых заказчиков компания General Electric применяла UNIVAC-1 для подготовки платежных ведомостей на зарплату. В течение первых нескольких лет после начала производства UNIVAC-1 его приобрели 46 заказчиков, начиная от армии Соединенных Штатов до корпорации DuPont.

БЭСМ-2 (1952-1953 гг.). БЭСМ – «большая электронная счетная машина» первого поколения, разрабатывавшаяся в течение 1950-1953 гг. Производительность - 8-10 тыс. операций в секунду. Представление чисел - с плавающей запятой, 39 двоичных разрядов. Первая модель БЭСМ имела сниженное быстродействие, которое составляло около 2000 операций в секунду. Новая модель получила наименование БЭСМ-2. Было создано 7 экземпляров БЭСМ-2 на Казанском заводе счетно-аналитических машин. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. Внешнее ЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкость свыше 100 тыс. слов.

4.2. Второе поколение ЭВМ (1960 – 1965 гг.)

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли. ЭВМ на транзисторной базе были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. Один транзистор способен был заменить около 40 электронных ламп и работал с большей скоростью.

Во втором поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд - последующая команда начинала выполняться до окончания обработки предыдущей.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

БЭСМ-6. Первый образец машины был создан в 1967 г. В ней реализованы такие новые принципы и решения, как параллельная обработка нескольких команд, сверхбыстрая регистровая память, расслоение и динамическое распределение оперативной памяти, многопрограммный режим работы, развитая система прерываний. БЭСМ-6 – это суперЭВМ второго поколения. Ее быстродействие составляло 1 млн операций в секунду, емкость оперативной памяти - 64-128К 50-разрядных слов. В аппаратуре БЭСМ-6 использовано около 60000 транзисторов и 180000 полупроводниковых диодов. Эта ЭВМ стала основной вычислительной системой для многих предприятий в оборонных отраслях промышленности и оставалась таковой в течение более полутора десятков лет. Всего в базовом варианте было выпущено около 350 компьютеров БЭСМ-6. В 1975 г. управление полетом по программе «Союз-Аполлон» обеспечивал вычислительный комплекс на основе БЭСМ-6.

Отечественные ЭВМ серий «Стрела», М-20, «Урал», «Минск».

Одна из первых (наравне с БЭСМ) отечественных ЭВМ «Стрела» разрабатывалась в СКБ-245 Министерства машиностроения и приборостроения СССР в 1950-1953 гг. под руководством Ю.Я. Базилевского и Б.И. Рамеева. Быстродействие - 2000 операций в секунду, оперативная память 2048 43-разрядных слов. Машина трехадресная.

Юрий Яковлевич Базилевский (1912-1983) был главным конструктором ЭВМ «Стрела». Семь машин «Стрела» было изготовлено на Московском заводе САМ. В дальнейшем Ю.Я. Базилевский руководил разработкой специализированных вычислительных комплексов М-111 и 5Э61 для оборонных систем, будучи главным инженером СКБ-245. В 1970-80-х годы работал в Минприборе заместителем министра

Машина «Урал-1» - первая из серии ЭВМ «Урал», созданная в 1957 г. под руководством Б.И. Рамеева в СКБ-245. Эта малая машина отличалась дешевизной и потому получила сравнительно широкое распространение в конце 50-х годов. Быстродействие - 100 операций в секунду, оперативная память (1024 слова) - на магнитном барабане. Вслед за «Уралом-1» последовали «Урал-2» с быстродействием 5000 операций в секунду с оперативной памятью на ферритовых сердечниках (1959 г.), «Урал-11», «Урал-14», «Урал-16» - серия (ряд) аппаратно и программно совместимых ЭВМ второго поколения разной производительности. Эти машины создавались под руководством Б.И. Рамеева в 1962-64 гг. уже в Пензенском НИИ математических машин. Эта серия предвосхитила решения IBM-360, принятые в дальнейшем для разработки ЕС ЭВМ в странах СЭВ.

Параллельно с работой в Киеве С.А. Лебедев руководит разработкой большой электронной счетной машины БЭСМ в ИТМиВТ. С 1953 г. С.А.Лебедев возглавляет этот институт.

БЭСМ-4 - вариант БЭСМ на полупроводниковой элементной базе (главный конструктор О.П.Васильев, научный руководитель С.А.Лебедев). Быстродействие - 20 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти - 16384 48-разрядных слова. К 1962-1963 гг. относится создание прототипа, к 1964 г. - начало серийного выпуска.

Одним из крупных центров компьютерной промышленности в СССР начиная с 60-х годов был Минск, где созданы завод ЭВМ и СКБ завода, позднее ставшее НИИ ЭВМ. Возглавил СКБ в 1964 г. Георгий Павлович Лопато (1924-2003). Его детищем является серия ЭВМ «Минск» (первая из машин серии «Минск-1» создана в 1960 г.). Под его руководством по заказу Минобороны разработан ряд мобильных вычислительных машин, совместимых с машинами ЕС ЭВМ.

4.3. Третье поколение ЭВМ (1965 – 1972 гг.)

В 1960 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. Одна ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. Один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-тонный ЭНИАК. А компьютеры на базе ИС достигают производительности в 10 млн операций в секунду.

В 1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Емкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

IBM 360/370. Компания IBM - мировой лидер в области создания средств вычислительной техники - основана в 1896 г. под названием Tabulating Machine Company изобретателем бумажных перфокарт и табуляторов Г. Холлеритом (1860-1929). В 1914 г. генеральным менеджером компании стал Томас Дж. Уотсон-старший, с именем которого связаны основные достижения компании в 20-40-х годах. С 1924 г. компания носит имя International Business Machines (IBM).

В начале 40-х годов прошлого века в лабораториях IBM совместно с учеными Гарвардского университета (во главе с Г. Айкеном) была начата и закончена в 1944 г. разработка одной из первых электромеханических вычислительных машин Марк-1. В 1964 г. IBM выпускает первые модели System/360 (иначе IBM-360), назвав эту серию компьютерами третьего поколения, первые машины были на гибридных микросхемах. В разработке участвовали Д. Амдал, Г. Блау, Ф.П. Брукс-младший. Ряд System/360 был грандиозным проектом (стоимость 30 млрд долл., было задействовано около 100 тыс. сотрудников IBM). С 1971 г. IBM предлагает модели семейства System/370 на монолитных интегральных схемах. Запуском в производство новых моделей семейства 370 руководил Т. В. Лерсон, сменивший в 1974 г. Т. Дж. Уотсона-младшего на посту президента IBM.

Семейства ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ. Начиная с 1969 г., радиоэлектронная промышленность СССР переключилась на производство преимущественно машин ЕС и СМ ЭВМ. Уже после появления первых ЭВМ стала очевидной целесообразность перехода к построению единого ряда машин разной производительности (ЕС ЭВМ), но согласованных по системе команд, операционным системам и требованиям к определенным характеристикам внешних устройств. С этой целью в 1967 г. в Москве был создан Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ).

В СССР дискуссии относительно проекта ЕС ЭВМ велись во второй половине 60-х годов прошлого века. Обсуждались две альтернативы построения единого ряда:

1) на основе отечественного и западно-европейского опыта;

2) на основе американской серии машин IBM-360.

Первый вариант позволял продолжить развитие отечественного научного и инженерного потенциала с шансами сохранения конкурентоспособности отечественных ЭВМ, поскольку к этому времени мы имели одну из лучших машин в мире БЭСМ-6 и серию машин «Урал». При этом предполагалось взаимовыгодное сотрудничество с английскими и немецкими фирмами, разрабатывавшими ЭВМ, поскольку эти фирмы тоже стремились к сотрудничеству с советскими специалистами.

Положительной стороной второго варианта была возможность использования программного обеспечения, уже созданного для IBM-360. Ведь IBM начала выпуск серии компьютеров IBM-360 еще в 1964 г. Для английских и немецких ЭВМ столь объемных наработок не было. Сторонники с вариантом базирования на IBM-360 справедливо считали, что необходимо существенно расширить применение ЭВМ в народном хозяйстве, а этого без богатого программного обеспечения не сделаешь. Причем имелось в виду наличие программного обеспечения не только на данный момент, но и в перспективе, а у нас в стране в то время (по данным академика А.А. Дородницына) было приблизительно 1500 квалифицированных программистов по сравнению с 50000 в США. Кроме того, из ориентации на IBM-360 вытекало лишь требование совместимости с системой команд IBM-360 и это не означало слепого копирования чужих решений.

Было принято решение в пользу второго варианта, и НИЦЭВТ становится головной организацией по программе ЕС ЭВМ. Аван-проект ЕС ЭВМ разрабатывало Конструкторское бюро промышленной автоматики (КБПА) во главе с В.К. Левиным, а головной организацией по вопросам математического обеспечения стал Институт прикладной математики, где эти работы возглавляли М.Р. Шура-Бура и В.С. Штаркман.

В 1971 г. прошла совместные испытания первая машина Единой системы ЕС-1020, разработанная Минским НИИ ЭВМ (гл. конструктор В. В. Пржиялковский). В 1972 г. Ереванским НИИММ сдана ЕС-1030 (гл. конструктор М. А. Семерджян). В 1973 г. в ГДР под руководством гл. конструктора М. Гюнтера создана ЕС-1040. В НИЦЭВТ закончена разработка старших моделей: в 1973 г. ЕС-1050, в 1977 г. - ЕС-1060 (гл. конструктор обеих моделей В.С. Антонов), в 1984 г. - ЕС-1066 (гл. конструктор Ю.С. Ломов). Генеральными конструкторами ЕС ЭВМ в этот период были С.А. Крутовских (1968-1970 гг.), А.М. Ларионов (1970-1977 гг.), В.В. Пржиялковский (1977-1990 гг.), одновременно являвшиеся директорами НИЦЭВТ.

Для производства машин ЕС ЭВМ были задействованы заводы в Минске, Ереване, Казани, Пензе, Вильнюсе и в странах СЭВ.

К 1979 г. доля ЕС ЭВМ в парке ЭВМ страны составляла 72 %. В серии ЕС ЭВМ наиболее массовыми были машины ЕС-1022 (к 1989 г. было выпущено около 3400 машин), ЕС-1033 (1405), ЕС-1035 (1872), ЕС-1045 (1069). Высокопроизводительных машин ЕС-1055, ЕС-1060 и ЕС-1061 было произведено по нескольку сотен. Всего за 20 лет промышленностью были поставлены для народного хозяйства и обороны страны более 16 тыс. вычислительных комплексов ЕС ЭВМ. Однако по своему техническому уровню эти машины значительно отставали от американских машин того же времени.

В начале 1974 г. в СССР было принято решение о создании семейств не только больших, но и малых ЭВМ с ориентацией на архитектуру машин PDP-11 американской компании DEC. Семейство малых машин получило название СМ ЭВМ. В развитии СМ ЭВМ значительную роль сыграл Институт электронных управляющих машин под руководством Б.Н.Наумова.

Борис Николаевич Наумов (1927-1988) в 1950 г. окончил МЭИ по специальности "Автоматическое управление". В 1950-1967 гг. Б.Н. Наумов работал в Институте автоматики и телемеханики (ИАТ). В 1958-1959 гг. был в командировке в Массачусетском технологическом институте (США), где встречался с Н. Винером. В 1967 г. возглавил ИНЭУМ (институт электронных управляющих машин) и стал главным конструктором АСВТ-М (Агрегатная система средств вычислительной техники на микроэлектронной базе). Уже в 1970 г. были созданы первые в стране управляющие вычислительные комплексы третьего поколения. При этом начали использоваться методы совмещенного (параллельного) проектирования.

В период 1974-1984 гг. Б.Н. Наумов руководил разработкой системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ) в качестве Генерального конструктора. Одной машиной из серии СМ ЭВМ был компьютер СМ-1420, предназначенный для работы в составе АСУТП, систем сбора, подготовки и обработки данных, систем автоматизации научных экспериментов и т.п. Среднее быстродействие этой машины 0,30 Mips или 0,23 Mflops. Оперативная память 248 К.

Б.Н. Наумов был одним из инициаторов организации в составе АН СССР Отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации, созданного в 1983 г. Б.Н. Наумов возглавил Институт проблем информатики АН СССР (ИПИ АН), организованный по его инициативе.

Для СМ ЭВМ были приняты стандарты «де-факто» архитектур малых ЭВМ, наиболее распространенных в мире, предложены интерфейсы, обеспечивающие использование общей для всех моделей номенклатуры периферийных устройств и устройств связи с объектом. Разработанные под руководством Б.Н. Наумова принципы и стандарты СМ ЭВМ, охватывающие в комплексе все аспекты унификации элементов, узлов и устройств, конструкций, рядов моделей ЭВМ, средств программирования, учитывали технологию и производственные возможности отечественной промышленности и обеспечили возможность организации крупносерийного производства.

На базе СМ ЭВМ был реализован ряд специализированных комплексов. Например, комплекс СМ-4 вместе с Фурье-процессором использовался для обработки радиолокационных изображений поверхности Венеры, что позволило справиться с уникальной по сложности задачей с помощью мини-ЭВМ вместо суперЭВМ.

4.4. Четвертое поколение ЭВМ (с 1972 г.)

Четвёртое поколение - это современное поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см2). БИС применялись уже в таких компьютерах, как «Иллиак», «Эльбрус», «Макинтош». Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн двоичных слов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Емкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM - ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры - IBM PC.

5. РАЗВИТИЕ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

5.1. Поколения ЭВМ и автоматизация вычислительных работ

ЭВМ или компьютер – это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для решения задач пользователя (рис. 5.1).

Рис. 5.1

При этом в качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы и др.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ пользователями включает следующие этапы.

Этап 1. Формулировка проблемы и математическая постановка задачи.

Этап 2. Выбор метода и разработка алгоритма решения.

Этап 3. Программирование (запись алгоритма, кодирование) на некотором языке.

Этап 4. Планирование и организация вычислительного процесса (т.е. определение порядка использования ресурсов ЭВМ).

Этап 5. Формирование машинной программы на языке команд ЭВМ.

Этап 6. Непосредственное решение задачи – вычисление по готовой программе.

Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения. Поэтому каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств, обеспечивающий:

- снижение трудоемкости подготовки задач к их решению;

- эффективное использование технических и программных средств ЭВМ;

- облегчение эксплуатации ЭВМ в целом.

Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру. Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.

Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователя с ЭВМ. Она называется операционной системой и является ядром программного обеспечения ЭВМ.

Программное обеспечение ЭВМ - это комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого сервиса в работе пользователей ЭВМ.

Поэтому развитие ЭВМ следует рассматривать в комплексе с развитием их программного обеспечения. На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить ряд поколений ЭВМ, отличающихся:

- элементарной базой;

- функционально-логической организацией;

- конструктивно-технической организацией;

- программным обеспечением;

- техническими и эксплуатационными характеристиками;

- степенью доступа к ЭВМ пользователей.

Однако основной тенденцией при смене поколений было и остается стремление уменьшить трудоемкость решения задач на ЭВМ и повысить эффективность их использования. Это достигается за счет автоматизации рассмотренных выше этапов подготовки задач к решению.

По мере развития ЭВМ автоматизация этих этапов идет снизу вверх (от последних к первым), что показано в следующей таблице.

Поколение ЭВМ	Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ
	Поста-новка задачи	Выбор метода и разработка алгоритма	Програм-мирование на входном языке	Организа-ция вычис-лительного процесса	Получение машинной программы	Решение задачи на ЭВМ
Первое	Пользователь	Аппа-ратура
Второе	Пользователь	Программные средства	Аппа-ратура
Третье	Пользователь	Программные средства	Аппа-ратура
Четвертое	Пользователь	Программные средства	Аппаратура

Возможности улучшения показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых при построении их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение характеризуется в первую очередь используемой базой.

Первое поколение охватывает все первые ЭВМ, в которых основным активным элементом была электронная лампа (триод). Остальные компоненты - обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти использовались электронно-лучевые трубки, затем с середины 50-х годов - ферритовые сердечники (с прямоугольной петлей гистерезиса).

В качестве устройств ввода-вывода сначала применялась стандартная телефонная аппаратура (телетайпы, ленточные и карточные перфораторы и др.). Затем были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатные устройства.

ЭВМ первого поколения имели большие размеры, потребляли большую мощность, имели малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность. В частности: быстродействие -от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч операций в секунду; емкость оперативной памяти - несколько тысяч машинных слов; надежность - несколько часов безотказной работы.

В этих ЭВМ автоматически выполнялись только вычисления (6-й этап), а вся подготовка задач к решению выполнялась вручную, включая получение машинных кодов программ. Это очень трудоемкий этап, который был источником большого числа ошибок. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала отдельные элементы, а затем и целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Второе поколение ЭВМ появилось в конце 50-х - начале 60-х годов, когда на смену лампам пришли транзисторы – полупроводниковые триоды. Впервые в июле 1948 года на одной из страниц «Нью-Йорк Таймс» было размещено скромное сообщение о том, что фирма «Bell Laboratories (Bell Labs)» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Это был первый действующий транзистор, изобретателем которого является американский физик Уильям Шокли (1910 - 1989). Работа над созданием транзистора была начата в 1938 г. и в 1948 году успешно завершилась совместно с физиком Джоном Бардиным и экспериментатором фирмы Уолтером Браттейном.

Использование транзисторов позволило повысить быстродействие, надежность, емкость оперативной памяти. Все основные характеристики возросли на 1-2 порядка. В частности, наиболее мощные ЭВМ II поколения, такие как Stretch (США), Atlas (Англия), БЭСМ-6 (СССР), имели быстродействие до 1 миллиона операций в секунду. Существенно были уменьшены размеры, масса, потребляемая мощность. Большим достижением было применение печатного монтажа.

Особенностью ЭВМ второго поколения является их дифференциация по применению. Появились компьютеры для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие ЭВМ).

В области программного обеспечения главным достижением было появление систем автоматизированного программирования. Они базировались на алгоритмических языках Алгол, Фортран и др. и соответствующих трансляторах, что позволило автоматически формировать машинные программы, включая использование библиотек стандартных программ.

Переход к третьему поколению ЭВМ (конец 60-х - начало 70-х годов) обусловлен необходимостью решения следующих проблем:

1) быстродействие транзисторных ЭВМ не могло быть увеличено из-за конструктивного исполнения. Препятствием явилась скорость распространения электромагнитных сигналов, сравнимая со скоростью света (31010 см/с). Если переключаемый элемент будет работать со скоростью 109 переключений в секунду (частота 109 Гц), то за время одного переключения (из состояния 0 в 1 или наоборот) сигнал сможет пройти около 30 см. Расстояние между необходимыми элементами может быть большим, и весь выигрыш в частоте переключений будет потерян за счет большого времени передачи сигнала;

2) микроминиатюризация конструкции ЭВМ была затруднена из-за необходимости использования отдельных (дискретных) элементов, т.е. транзисторов, диодов, резисторов и др. В частности, к каждому транзистору нужно припаять три вывода.

Развитие интегральной технологии позволило решить эти проблемы применением интегральных схем. Интегральная схема - это законченный логический или функциональный узел ЭВМ, имеющий достаточно сложную транзисторную схему (регистр, счетчик, дешифратор, сумматор и др.). Изобретателями первых ИС (в виде системы взаимосвязанных транзисторов на единой кремниевой пластине) были Роберт Нойс (1927-1990) из компании Fairchild Semiconductor и Джек Килби из фирмы Texas Instruments.

Использование интегральных схем позволило:

- улучшить характеристики ЭВМ (до 100 млн операций в секунду);

- обеспечить широкую номенклатуру унифицированных устройств для построения разнообразных систем обработки данных;

- а также способствовало появлению многослойного печатного монтажа.

Основной особенностью программных средств для ЭВМ третьего поколения явилось появление программного обеспечения и развитие его ядра - операционной системы. Стоимость программного обеспечения стала расти и в настоящее время существенно опережает стоимость аппаратуры.

Рис. 5.2

Операционная система обеспечивает организацию и управление вычислительным процессом. Она планирует распределение и использование вычислительных ресурсов, к которым относят:

- машинное время процессоров;

- объемы оперативной и внешней памяти;

- внешние устройства ввода/вывода;

- библиотеки программ;

- отдельные программы общего и специального применения и др.

Одновременно были реализованы более сложные режимы работы ЭВМ:

- коллективный доступ к ресурсам;

- мультипрограммные режимы работы;

- доступ к ЭВМ удаленных пользователей (десятки и сотни километров).

Важной тенденцией в развитии ЭВМ третьего поколения явилась тенденция к унификации ЭВМ, т.е. к созданию серий программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе и имеющих единую конструктивно-технологическую основу, единый унифицированный набор внешних устройств, единую систему программного обеспечения. Примерами являются семейства ЭВМ IBM System 360/370 (США), EC ЭВМ (СССР), PDP-11 компании DEC (Digital Equipment Corporation, США), CM ЭВМ (СССР) и др.

Для ЭВМ четвертого поколения, которые появились в 80-е годы, характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции обеспечила:

- увеличение плотности компоновки электронной аппаратуры;

- усложнение функций аппаратуры;

- повышение надежности и быстродействия;

- снижение стоимости.

Это оказывает существенное влияние на логическую структуру ЭВМ и её программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры ЭВМ и операционной системы.

Важнейшим технологическим достижением в развитии электронной техники стало появление в 1971 году микропроцессоров. Первый микропроцессор (модель 4004) разработан в 1971 году в компании Intel (Integrated Electronics, США). Эта компания основана в 1968 году. В 1969 году была создана компания AMD (Advanced Micro Devices, США). Эти компании конкурируют на рынке микропроцессоров на протяжении многих лет. Первый микропроцессор 4004 был 4-разрядным и включал более 2 тысяч транзисторов.

С появлением микропроцессоров появился и новый класс ЭВМ - микроЭВМ, на смену которым пришли персональные компьютеры. Первые персональные компьютеры были 8-разрядные (Apple I, II; IBM на основе микропроцессора Intel 8080). Однако широкое распространение они получили с увеличением разрядности до 16 (IBM PC на базе микропроцессоров Intel 8086 и Intel 80286).

Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к появлению микропроцессоров с разрядностью 32 и 64, которые были реализованы в виде сверхбольших интегральных схем (СБИС) и использовались при создании новых моделей персональных компьютеров и мощных ЭВМ различного назначения.

Отличительной чертой больших мощных ЭВМ четвертого поколения является наличие в одной машине десятков, сотен и даже тысяч устройств обработки данных - процессоров, которые могут дублировать работу друг друга для повышения надежности или работать независимо и одновременно для повышения скорости вычислений. Примерами могут служить многопроцессорные ЭВМ «Эльбрус» (СССР) и IBM 196 (США) с быстродействием 15 млн операций в секунду.

Последним на сегодняшний день считается пятое поколение ЭВМ. Проект создания таких машин, рассчитанный на 10 лет, был объявлен в начале 80-х годов японскими специалистами. Эти работы были поддержаны инженерами США, СССР и ряда стран западной Европы. Целью проекта было создание принципиально нового способа взаимодействия пользователя с ЭВМ на основе искусственного интеллекта.

В предыдущих поколениях человек тщательно составлял и формулировал последовательность действий по решению задачи. В ЭВМ пятого поколения пользователь должен только определить цель, по которой машина самостоятельно должна составить план действий и получить решение. Такой способ решения задачи называется логическим программированием и базируется в большей степени на развитии программного обеспечения. Взаимодействие с ЭВМ должно выполняться на уровне естественного языка.

Полностью решить весь комплекс задач проекта ЭВМ пятого поколения пока не удалось. Однако существенные достижения в этом направлении уже получены. Это распознавание и синтез речи, новая элементная база - нейропроцессоры, имитирующие работу мозга, системы логического вывода и обработки знаний.

Следует отметить, что каждое следующее поколение ЭВМ имеет значительно лучшие характеристики по сравнению с предыдущим. Производительность и емкость всех ЗУ увеличивается, как правило, более чем на порядок.

5.2. Эволюция принципов построения ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. Наиболее распространенный вариант реализации этого принципа был предложен в 1945 году фон Нейманом. Сущность его заключается в следующем.

Все вычисления, заданные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда определяет:

- выполняемую операцию;

- расположение (адреса) операндов;

- служебные признаки.

Операнды - это данные, обрабатываемые программой. К ним относят переменные, элементы массивов, промежуточные результаты, а также адреса. Программы и обрабатываемые данные должны совместно храниться в памяти ЭВМ. Для обращения к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ. Выполнение каждой команды программы предполагает многократное обращение к памяти (выборка команд, выборка операндов, пересылка результатов и др.).

В первом и втором поколениях ЭВМ одна и та же аппаратура выполняла как основные, так и вспомогательные действия, т.е. использовалось централизованное построение и управление. Развитие вычислительной техники потребовало сначала децентрализации построения ЭВМ, а затем и децентрализации управления.

Принципы модульности построения и магистральности организации связей реализуют идею децентрализации при разработке аппаратуры ЭВМ и обеспечивают, в первую очередь, возможность одновременного выполнения одновременных действий различными аппаратными модулями.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств, таких как процессор, модуль памяти, внешнее устройство и др. Модульное построение ЭВМ делает её открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. Появляется возможность:

- увеличения мощности и улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные;

- изменения конфигурации системы для учета требований конкретных пользователей;

- подключения дополнительных устройств и др.

Основным средством подключения модулей и объединения их в систему являются магистрали или шины, которые представляют собой стандартные средства сопряжения (интерфейсы), унифицированные как по электрическим характеристикам, так и по алгоритмам их работы.

В современных ЭВМ модульность реализуется не только на уровне ЭВМ и периферийных устройств, но и в пределах процессоров. В частности, появились отдельные специализированные процессоры, например, для выполнения операций над числами с плавающей точкой, для обработки графических данных и др. В целом модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации технических и программных средств, что, в свою очередь, обеспечивает улучшение характеристик ЭВМ, повышение технологичности их производства.

Рост функциональных возможностей отдельных модулей ЭВМ потребовал реализации децентрализованного управления аппаратурой.

Принцип иерархии управления направлен на организацию децентрализованного управления и предполагает, в свою очередь, иерархическое построение структуры ЭВМ. Главный (центральный) модуль системы определяет последовательность работ подчиненных модулей и выполняет их инициализацию. После этого подчиненные модули продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций передаются в главный модуль для правильной координации всех действий. Подчиненные модули могут использовать специальные шины (магистрали) для обмена управляющими сигналами, данными и адресами.

Следует заметить, что иерархический принцип построения и управления является характерным не только для ЭВМ в целом, но и для её отдельных подсистем. Например, система памяти также имеет иерархическую структуру.

Децентрализованное управление обеспечило переход к более сложным многопрограммным режимам работы ЭВМ, когда в ЭВМ одновременно могут обрабатываться несколько программ пользователей. При этом предполагается параллельная работа отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, внешние устройства могут выполнять печать документов и прием сообщений из каналов связи. Процессор в это время может выполнять вычисления по некоторой программе, а пользователь – вводить данные и одновременно слушать музыку и др.

В компьютерах, имеющих один вычислительный модуль (процессор), многопрограммная обработка реализуется в режиме разделения времени, когда процессор постоянно переключается с одной программы на другую, затрачивая на каждую определенный период (квант) времени. В каждой конкретный момент времени процессор обслуживает только одну программу, но для нескольких пользователей создается иллюзия одновременной независимой работы.

5.3. Структуры ЭВМ различных поколений

Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений, показанная на рис. 5.3, соответствует принципу программного управления и определяет последовательный характер преобразования данных по некоторой программе.

Рис. 5.3

Программы и исходные данные вводятся в ЭВМ с помощью устройства ввода информации. Введенная информация сначала запоминается (частично или полностью) в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) для длительного хранения в виде файлов. Когда некоторый файл потребуется в вычислительном процессе, его содержимое переносится в ОЗУ. Если это программа, то команды последовательно считываются и переносятся в устройство управления (УУ). Оно предназначено для управления работой всех устройств ЭВМ при выполнении программы. Каждая считанная команда дешифрируется и определяет код выполняемой операции, адреса операндов и результата.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Результат выполнения операции сохраняется в одном из регистров или записывается в ОЗУ. Признаки результата r (r = 0, r < 0, r > 0 и др.) всегда записываются в один из регистров (регистр признаков) и используются устройством управления для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты выполнения всей программы из памяти (ОЗУ или ВЗУ) передаются на устройства вывода, т.е. экран дисплея, принтер, графопостроитель и т.п.

Первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, где УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ОЗУ и ВЗУ и др. Это позволяло упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост производительности.

Для ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов обработки данных и ввода-вывода информации. Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили общее название - процессор. В ЭВМ появились дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода; устройства управления обменом информацией; каналы ввода-вывода и др.

Каналы ввода-выводы (КВВ) получили наибольшее распространение в больших ЭВМ (рис. 5.4).

Рис. 5.4

Среди каналов ввода-вывода выделяют мультиплексные каналы, способные обслуживать одновременно большое число медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие поочередно в монопольном режиме высокоскоростные ВЗУ.

В целом в ЭВМ третьего поколения появилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств. Это позволило резко повысить быстродействие ЭВМ.

Дальнейшее изменение структуры произошло в ЭВМ четвертого поколения. Наиболее массовым представителем этого поколения ЭВМ являются персональные компьютеры (ПК), структура которых подобна структуре мини-ЭВМ (рис. 5.5).

Рис. 5.5

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, которая представляет собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Все передачи по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), включающая ОЗУ и ПЗУ, и видеопамять. В ПЗУ располагаются наиболее часто используемые программы управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), таких как дисплей, клавиатура, ВЗУ, обеспечивается через соответствующие адаптеры и контроллеры. Адаптеры служат для согласования скоростей работы сопрягаемых устройств, контроллеры - для управления периферийной аппаратурой.

Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств выделяют таймер (устройство измерения времени) и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП) - устройство для обращения к памяти без использования процессора.

Единая система аппаратных соединений на основе общей шины значительно упростила структуру ЭВМ, сделав ее еще более децентрализованной. Однако по мере развития вычислительной техники единственная шина уже не могла обеспечить эффективной работы. Поэтому в современных ПК канал взаимодействия устройств компьютера представлен объединением большого числа шин, работающих в соответствии с различными (старыми и новыми) стандартами.

5.4. Особенности классической структуры ЭВМ

Все рассмотренные выше структуры ЭВМ, разработанные за полвека, не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие признаки:

- ядро ЭВМ образуют единственный процессор и память, дополненные каналами обмена информацией;

- все виды памяти имеют линейную одноуровневую организацию (адресацию) ячеек;

- внутренний машинный язык низкого уровня, где команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

- последовательное централизованное управление вычислениями;

- достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего роста производительности. Наметился ее кризис, обусловленный существенными недостатками:

- практически исчерпаны структурные и технологичные методы повышения производительности ЭВМ;

- плохо развиты средства обработки нечисловых данных;

- несоответствие машинных команд операторам языков высокого уровня;

- примитивная организация памяти;

- низкая эффективность при решении задач, допускающих параллельную обработку и др.

Все указанные недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению программных средств, используемых для подготовки и решения задач пользователя.

В современных ЭВМ и в ЭВМ будущих поколений предполагается дальнейшее усложнение структуры. В частности, история развития вычислительной техники показала, что самым узким местом ЭВМ является связь «процессор-память». Именно быстродействие памяти во многом определяет общую скорость последовательных вычислений. Поэтому мощность новейших микропроцессоров используется только на 25-30 %.

В качестве примера развития структуры ЭВМ рассмотрим организацию памяти современных ЭВМ. С точки зрения пользователей в ЭВМ желательно иметь оперативную память большой емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворить эти два противоречивых требования. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому иерархическому принципу.

В составе процессора имеется сверхоперативное ЗУ небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с очень малым временем доступа (1 такт процессора). Здесь сохраняются операнды и результаты выполненных команд. Следующий уровень образует кэш-память, которая представляет собой буферное ЗУ, предназначенное для хранения активных страниц памяти объемом десятки и сотни Кбайт.

В современных ПК кэш-память включает:

- кэш первого уровня (16-64 Кбайт, время доступа 1-2 такта процессора);

- кэш второго уровня (128-512 Кбайт, 3-5 тактов);

- кэш третьего уровня (Itanium 2, 2-4 Мбайт, 8-10 тактов).

Кэш-память по быстродействию занимает промежуточное положение между сверхоперативным ЗУ (регистрами) и ОЗУ. Она предназначена для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Основной объем программ пользователей и данных размещается в ОЗУ, которое образует отдельный уровень иерархии. Емкость ОЗУ составляет миллионы машинных слов, время обращения - до 30 тактов. На этом же уровне иерархии находится ПЗУ, в котором может размещаться часть машинных программ и наиболее часто используемых констант, обеспечивающих управление вычислениями. На более низких уровнях иерархии находятся внешние ЗУ на магнитных носителях, оптических дисках и др. Их отличают более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Согласованная работа всех уровней памяти выполняется под общим управлением операционной системы при децентрализованном управлении отдельными ЗУ. Организация упреждающего обмена информацией между ЗУ различных уровней позволяет рассматривать иерархию памяти как единое виртуальное пространство памяти. Пользователь имеет возможность работы с памятью, которая намного превышает физическую емкость ОЗУ.

5.5. Основные характеристики ЭВМ

Эффективное использование вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует применения ЭВМ с определенными характеристиками. Выбирая компьютер для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей, а не их конкретной реализацией. В частности, возникают следующие вопросы:

- как быстро будет решена задача определенного класса?

- насколько это соответствует определенной группе задач?

- какой сервис предоставляется существующими программами?

Таким образом, рядовой пользователь ЭВМ интересуется общими вопросами организации вычислений, что включается в понятие архитектуры ЭВМ. В широком смысле архитектура компьютера - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Именно архитектура отражает принципы, положенные в основу построения компьютера.

Для непрофессионалов в области вычислительной техники архитектуру ЭВМ можно определить как совокупность свойств, существенных для пользователя. Это понятие конкретизируется через группы характеристик ЭВМ, отражающих возможности взаимодействия пользователя с машиной:

- технические и эксплуатационные характеристики (быстродействие и производительность, надежность, точность, достоверность, емкость ЗУ, размеры, стоимость, потребляемая мощность и др.);

- характеристики и состав функциональных модулей;

- возможности расширения состава технических и программных средств;

- возможность изменения структуры системы;

- состав программного обеспечения ЭВМ (операционная система, пакеты прикладных программ, системы программирования, сервисные программы и др.).

Важнейшими характеристиками компьютеров являются быстродействие и производительность. Это близкие, но всё же отличающиеся характеристики. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ в единицу времени. Производительность - это объем вычислительных работ, выполняемых ЭВМ в единицу времени (например, число некоторых стандартных задач).

Определение быстродействия и производительности представляет собой сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения. Самой грубой характеристикой быстродействия может служить тактовая частота процессора. Однако эта характеристика позволяет сравнивать модели ЭВМ одного семейства, так как разные процессоры имеют значительно отличающиеся структуры, сильно влияющие на их производительность.

Более объективной единицей измерения быстродействия является величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Second) – миллион операций в секунду, где в качестве операций рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения данных в регистрах. Эта характеристика широко использовалась для оценки машин второго и третьего поколений, но для современных ЭВМ применяется достаточно редко по следующим причинам:

- набор команд современных микропроцессоров может включать сотни команд, сильно отличающихся длительностью выполнения (в сотни раз);

- значение, выраженное в MIPS, сильно меняется в зависимости от особенностей программ;

- значение MIPS и показатели производительности могут противоречить друг другу для разных типов ЭВМ (например, с арифметическим сопроцессором и без него).

При решении научно-технических задач в программах резко увеличивается удельный вес (процент) операций с плавающей точкой. Для таких задач использовалась и продолжает использоваться другая характеристика быстродействия, выраженная в MFLOPS (мегафлопс) - Million Floating Point Operations Per Second или TFLOPS (терафлопс) – триллион операций с плавающей точкой в секунду. Этот показатель практически не применяется для ПК, так как сильно связан с особенностями решаемых задач и структурными характеристиками ЭВМ.

Производительность ЭВМ оценивается с помощью специальных тестовых наборов программ, которые можно разделить на три группы:

- набор тестов фирм-изготовителей для оценки качества собственных изделий. Например, фирма Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP - Intel Comparative Microprocessor Performance index;

- специализированные тесты для конкретных областей применения ЭВМ. Например, тесты для ПК по офисным приложениям, для домашних компьютеров, для профессиональной работы с графикой и мультимедийными приложениями и др.;

- стандартные универсальные тесты, предназначенные для мощных ЭВМ.

Примерами тестов третьей группы могут служить:

- ранее использовавшаяся смесь Гибсона, т.е. смесь команд различных видов в определенных процентных соотношениях (сложение, вычитание с фиксированной точкой (ФТ); умножение с ФТ; деление с ФТ; сложение, вычитание с плавающей точкой (ПТ); умножение с ПТ; деление с ПТ; логические операции; условные передачи управления; безусловные передачи управления);

- современный пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых мощных ЭВМ в мире.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость памяти. Она измеряется количеством единиц информации, которое может храниться в памяти одновременно. При этом емкость оперативной памяти и внешних ЗУ указывается отдельно. Емкость внешней памяти сильно зависит от типа носителя данных.

Надежность ЭВМ - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. Высокая надежность обеспечивается в процессе производства ЭВМ. Наиболее ненадежными являются соединения отдельных элементов, ИС, БИС, модулей, блоков и т.п. Переход на новую элементную базу СБИС резко сокращает количество ИС и число их соединений друг с другом. Модульный принцип построения позволяет легко контролировать работу всех устройств, проводить их диагностику и устранение неисправностей.

Точность характеризует возможность различать почти равные (близкие) числовые значения. Точность результатов вычислений определяется главным образом разрядностью ЭВМ, а также используемыми единицами представления данных (байт, слово, двойное слово). Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например при обработке текстовых документов, при управлении технологическими процессами. В этих случаях достаточно использовать 8- и 16-разрядные коды. В математических расчетах требуется использовать более высокую разрядность данных (32, 64 и более). Поэтому современные ЭВМ допускают работу с 32- и 64-разрядными машинными словами. Языки программирования позволяют расширить этот диапазон в несколько раз, что обеспечивает очень высокую точность результатов.

Достоверность - это свойство информации быть правильно воспринимаемой и правильно воспроизводимой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Необходимый уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях вычисления дублируются на других ЭВМ, а полученные результаты сравниваются.

5.6. Архитектуры ЭВМ и микропроцессоров

В 1966 г. Майкл Флинн предложил классифицировать вычислительные системы по соотношению потоков команд и данных. Эта классификация используется до настоящего времени. В соответствии с классификацией Флинна все способы организации ЭВМ можно разделить на четыре класса.

1) однопроцессорные ЭВМ типа SISD (Single Instruction - Single Data) или ОКОД (Одинарный поток Команд - Одинарный поток Данных);

2) векторные ЭВМ типа SIMD (Single Instruction - Multiple Data) или ОКМД (Одинарный поток Команд - Множественный поток Данных);

3) конвейерные ЭВМ типа MISD (Multiple Instruction - Single Data) или МКОД (Множественный поток Команд - Одинарный поток Данных);

4) матричные ЭВМ типа MIMD (Multiple Instruction - Multiple Data) или МКМД (Множественный поток Команд - Множественный поток Данных).

Возможные варианты организации ЭВМ типа SISD показаны на рис. 5.6. В векторных ЭВМ типа SIMD все процессоры (которых несколько - П1, П2,…, Пn) одновременно выполняют одну команду над разными данными (рис. 5.7).

Рис. 5.6

Рис. 5.7

Конвейерная ЭВМ типа MISD включает цепочку последовательно соединенных процессоров (рис. 5.8), где информация на выходе одного процессора является входной информацией для следующего процессора. Эти процессоры образуют конвейер, на вход которого данные поступают из памяти. Каждый процессор решает свою часть задачи, причем после заполнения конвейера результаты решения последовательности задач выдаются через малые интервалы времени, хотя каждая задача решается значительно дольше.

Рис. 5.8

В матричных ЭВМ типа MIMD каждый процессор выполняет свою операцию над своими данными (рис. 5.9). Если процессоры образуют конвейеры (горизонтально), то подобная система может быть классифицирована как MMISD – параллельно-конвейерная система (многопроцессорная MISD система). Если каждая вертикальная линейка процессоров выполняет одну команду над разными данными, то получаем модификацию MSIMD - параллельно-векторную систему (многопроцессорная SIMD архитектура).

 

Рис. 5.9

Существует другой широко известный способ классификации архитектур ЭВМ, который отражает не структурную организацию системы (как классификация Флинна), а особенности системы команд и их выполнения аппаратными средствами отдельного процессора (микропроцессора). Здесь выделяют процессоры с архитектурой типа CISC, RISC и VLIW:

1) CISC (Complete Instruction Set Computer) - компьютер с полным набором команд;

2) RISC (Reduced Instruction Set Computer) - компьютер с сокращенным набором команд;

3) VLIW (Very Long Instruction Word) - архитектура с длинным командным словом, где процессор содержит несколько функциональных устройств, обеспечивающих одновременное (параллельное) выполнение нескольких различных операций программы.

Основоположником архитектуры CISC считают компанию IBM с ее базовой моделью IBM/360, ядро которой используется с 1964 г. Сюда же относят архитектуру VAX, близки к этой архитектуре микропроцессоры фирмы Intel (ряд 80х86, Pentium).

Основные особенности CISC-процессоров:

- сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

- большое число машинных команд, некоторые из них функционально аналогичны операторам языков высокого уровня и выполняются за большое число тактов процессора;

- большое число способов адресации;

- большое число используемых форматов команд разной разрядности;

- преобладание двухадресного формата команд (типа регистр-память).

Еще в середине 70-х годов некоторые разработчики компьютерных архитектур заметили интересный факт: даже у компьютеров сложной архитектуры большая часть времени затрачивается на выполнение простых команд. Это наблюдение легло в основу работ по созданию IBM 801 - первой RISC-машины, разработка которой была завершена в 1979 г.

Понятие RISC было введено в 1980 г. Дэвидом Паттерсоном – преподавателем университета Беркли. Основными особенностями RISC-архитектуры являются:

- одинаковая длина команд;

- единый формат команд (или использование не более 2-3 форматов);

- команды выполняют только простые действия;

- операндами всех арифметических и логических команд могут быть только регистры;

- любая команда выполняется за 1 такт;

- большой регистровый файл;

- только простая адресация.

В системах программирования для ЭВМ с RISC-архитектурой практически всегда присутствуют оптимизирующие компиляторы.

Для процессоров с VLIW-архитектурой распараллеливание вычислений производится во время компиляции. Несколько простых команд, управляющих функциональными устройствами, упаковываются компилятором в длинное командное слово. Таким образом, в машинном коде присутствует явный параллелизм. При выполнении программы возможно одновременное получение нескольких результатов разными функциональными устройствами.

Примером реализации VLIW-архитектуры является отечественный суперкомпьютер «Эльбрус-3». Длинное командное слово занимает 256 бит в упакованном виде и до 500 бит в распакованном. Каждое слово может запускать до 7 арифметико-логических операций одновременно. Операндами могут быть результаты ранее выполненных операций или данные, выбираемые из регистровой памяти. Возможно одновременное обращение по 8 каналам в локальную или глобальную память. Это характеристики одного процессора. «Эльбрус-3» содержит 16 таких процессоров.

Развитием VLIW-архитектуры является концепция вычислений с явным параллелизмом – EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing). Концепция EPIC разработана совсем недавно совместно компаниями Intel и Hewlett-Packard. Основные особенности EPIC:

- масштабируемость архитектуры до большого числа функциональных устройств (для VLIW - фиксированное число функциональных устройств, которое учитывается компилятором);

- явный параллелизм в машинном коде (как VLIW);

- предикатное выполнение команд, исключающее переходы.

Команды из разных условных ветвей снабжаются предикатными полями и запускаются на выполнение параллельно.

6. ПЕРВЫЕ УЧЕНЫЕ В ОБЛАСТИ ЭВМ И ИХ ПРОЕКТЫ

6.1. Джон фон Нейман и Алан Тьюринг

Американский ученый Джон фон Нейман – автор ряда основополагающих идей в области вычислительной техники. Именно с его именем связывают основные архитектурные принципы ЭВМ первых поколений.

Джон фон Нейман родился 28 декабря 1903 г. в Будапеште. После окончания высшей школы Нейман в течение двух лет изучал химию в Берлинском университете, а затем также в течение двух лет в Цюрихе. В 1927 г. стал приват-доцентом Берлинского университета. С 1929 г. фон Нейман живет в Принстоне (США). В 1933 г. он приглашен работать в математический отдел Института высших исследований.

Деятельность фон Неймана была чрезвычайно многообразной. Основная сфера его деятельности - математика, в которой ему принадлежит ряд крупных достижений. Но заметны результаты, полученные им и в физике. Широкую известность получил метод инициирования атомного взрыва, предложенный Фон Нейманом независимо от других. Фон Нейман был тесно связан с работами по использованию ядерной энергии, отдавал много времени, энергии и сил укреплению военной мощи своей новой родины. Последние годы его жизни были полностью посвящены работе в правительственных учреждениях. Он умер 8 февраля 1957 г.

Безупречная логика была наиболее характерной чертой его мышления. Вот высказывание одного из его коллег: "Слушая фон Неймана, начинаешь понимать, как должен работать человеческий мозг". Другой отличительной чертой его ума была замечательная память.

Джон фон Нейман присоединился к группе Д. Моучли и Д. Эккерта в период разработки машины ЭНИАК. А через год им подготовлен отчет, в котором обобщены планы работ по созданию компьютера EDVAC с архитектурой, получившей название фоннеймановской (хотя идея хранения программы в памяти машины уже была использована Моучли и Эккертом и высказывалась Тьюрингом).

Основные принципы фоннеймановской архитектуры:

- естественный (последовательный) порядок выполнения команд;

- хранение в памяти как данных, так и команд;

- команды содержат адреса операндов.

Говоря об основоположниках вычислительной техники, нельзя не упомянуть имя английского математика Алана Тьюринга (1912-1954). В 1936 г. он приехал в аспирантуру Принстонского университета для занятий математической логикой. Здесь он опубликовал свою знаменитую работу об универсальных вычислительных машинах, после которой в учебники по языкам программирования и алгоритмам вошел термин «машина Тьюринга», показывающая принципиальную возможность решения любых задач с помощью элементарных арифметических действий. Фон Нейман предложил Тьюрингу место ассистента для совместной работы. В 1938 г. Тьюринг защитил докторскую диссертацию и, отказавшись работать у фон Неймана, возвратился в Англию, где в годы войны стал искусным дешифровальщиком немецких сообщений.

6.2. Атанасов, Моучли и Эккерт

В конце 30-х годов Джон Атанасов (1903-1995), профессор колледжа штата Айова, после попыток создания аналоговых устройств для осуществления сложных вычислений начал работать над созданием цифрового компьютера с использованием двоичной системы счисления. Машина строилась на электромеханических и электронных компонентах. Атанасов изобрел, в частности, регенеративную память на конденсаторах. При помощи аспиранта К. Берри он построил опытный образец машины для решения дифференциальных уравнений. Машина получила название ABC (Эй-Би-Си). В 1941 г. молодой Д. Моучли побывал в Пенсильванском университете, где познакомился с машиной Атанасова и изучил документацию к ней. Атанасов готовил заявку на получение патента на созданную им с Берри машину. Но вскоре он был направлен на работу в одну из лабораторий военно-морских сил США, и заявка так и не была подана. В 1946 г. рассекретили ENIAC. И уже Моучли и Эккерт подали ряд патентных заявок, связанных с ENIAC.

Атанасов стал отстаивать свой приоритет лишь тогда, когда случайно из газет узнал по фотографии давнего визитера в его лабораторию. В 1973 г. коллегия Миннеаполисского окружного суда постановила, что Моучли использовал идеи, составившие основу поданных патентов и ставшие ему известными благодаря давнему визиту к Атанасову. Первым электронным компьютером суд признал не ENIAC, а ABC. Справедливости ради нужно заметить, что специализированное устройство Эй-Би-Си было экспериментальным компьютером, а ENIAC активно использовался до 1955 г.

В 1951 году Эккерт и Моучли разрабатывают UNIVAC-1, предназначенный для решения разнообразных задач бизнеса. Затем было создано несколько разных моделей UNIVAC, которые нашли применение в различных сферах деятельности.

6.3. ЭВМ, созданные под руководством С.А. Лебедева

Основные работы по созданию универсальных ЭВМ первого и второго поколений выполнялись в СССР по оригинальным проектам отечественных специалистов. Среди основоположников отечественной вычислительной техники в первую очередь следует назвать таких ученых, как Лебедев Сергей Алексеевич (1902 - 1974), Брук Исаак Семенович (1902 - 1974), Глушков Виктор Михайлович (1923 - 1982).

Первые работы по созданию отечественных ЭВМ проводились в следующих организациях:

- ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники, созданный в 1948 г.;

- ИНЭУМ - Институт электронных управляющих машин (переименован в 1958 г. из Энергетического института АН СССР, который был создан в 1935 г.);

- Киевский институт кибернетики АН УССР (создан в 1962 г.);

- СКБ-245 (создано в 1948 г., основная задача - разработка средств вычислительной техники в СССР).

Директорами ИТМиВТ назначались видные советские ученые: 1948 г. - Н.Г. Бруевич; 1950 г. - М.А. Лаврентьев; 1953 г. - С.А. Лебедев; 1974 г. - В.С. Бурцев; 1986 г. - Г.Г. Рябов.

В 1950 г. М.А. Лаврентьев пригласил С.А. Лебедева возглавить (по совместительству с работой Лебедева в Киеве) основную лабораторию института по разработке вычислительных машин. Именно в этой лаборатории были созданы проекты таких ЭВМ, как БЭСМ, БЭСМ-2, М-20, БЭСМ-6. В ней начали свой творческий путь видные ученые и разработчики вычислительных машин В.С. Бурцев, В.А. Мельников, Г.Г. Рябов, Б.А. Бабаян и др. После кончины С.А. Лебедева работы по созданию отечественных ЭВМ серии «Эльбрус» продолжали его ученики. Однако принятые на правительственном уровне решения о главном направлении развития вычислительной техники в стране на базе ЕС ЭВМ (по аналогии с серией американских машин IBM-360) сократило возможности продолжения оригинальных отечественных линий БЭСМ-6 и «Эльбрус».

Сергей Алексеевич Лебедев - основоположник отечественной вычислительной техники. Родился в Нижнем Новгороде. Окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана. Работал в МВТУ и во Всесоюзном электротехническом институте. В 1946 г. С.А. Лебедев был приглашен на работу в Киевский институт электротехники и теплоэнергетики, где под его руководством в период 1948-1951 гг. создавалась первая отечественная вычислительная машина МЭСМ. Архитектура и принципы построения МЭСМ были аналогичными тем, которые ранее уже использовались в машине ENIAC, но которые, по-видимому, Лебедеву не были известны (в открытой печати сведения о фон неймановской архитектуре появились позже). Характеристики МЭСМ: быстродействие - 100 операций в секунду; числа представлялись 16 разрядами в двоичной системе с фиксированной запятой; система команд трехадресная. В состав входили устройства: арифметическое; управляющие; ввода/вывода; запоминающее на триггерах (31 число; 63 команды); запоминающее на магнитном барабане. Машина содержала 6000 электронных ламп и занимала отдельное крыло здания площадью 60 м2. Потребляемая мощность 25 кВт.

Коллектив разработчиков насчитывал всего 12 специалистов и 15 техников. МЭСМ задумывалась лишь как макет будущей ЭВМ, но практически стала реально используемой машиной, поэтому первая буква М в аббревиатуре МЭСМ вместо "модель" электронной счетной машины стала интерпретироваться как «малая».

Параллельно с работой в Киеве С.А.Лебедев руководит разработкой «большой электронной счетной машины» БЭСМ в ИТМиВТ. С 1953 г. С.А. Лебедев возглавляет этот институт. Первой созданной здесь ЭВМ стала машина БЭСМ-1, разрабатывавшаяся в течение 1950-1953 гг. Это была машина первого поколения со следующими характеристиками: производительность 8-10 тыс. операций в секунду; представление чисел - 39 разрядов с плавающей запятой.

Первая модель БЭСМ-1 имела сниженное быстродействие (2000 операций в секунду) из-за отсутствия потенциалоскопов для спроектированной оперативной памяти, которые были заменены ртутными линиями задержки. В 1956 г. начались поставки потенциалоскопов, но в 1958 г. от них отказались, так как были разработаны магнитные ЗУ на ферритовых сердечниках. Новая модель получила наименование БЭСМ-2. Было создано 7 экземпляров БЭСМ-2 на Казанском заводе САМ (Счетно-аналитических машин). Следует отметить, что в 1956 г. БЭСМ-1 была самой быстрой машиной не только в СССР, но и в Европе.

На полупроводниковой элементной базе была разработана машина БЭСМ-4 (главный конструктор О.П. Васильев, научный руководитель С.А. Лебедев). Ее быстродействие - 20 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти - 16384 48-разрядных слова. К 1962-1963 гг. относится создание прототипа, к 1964 г. - начало серийного выпуска.

Параллельно с ЭВМ универсального назначения (МЭСМ, БЭСМ) в ИТМиВТ проводились разработки чисто военных ЭВМ.

Одна из лучших машин I поколения - М-20 (гл. конструктор Лебедев С.А.) появилась в 1958 г. Быстродействие - 20 тыс. операций в секунду, разрядность - 45, внешняя память на магнитных барабанах и лентах. В этой машине использовалась первая отечественная операционная система ИС-2.

Компьютер М-40 (1960 г.), считается первой машиной серии "Эльбрус" и также построен на электронных лампах (гл. конструктор С.А. Лебедев, его заместитель В.С. Бурцев). Быстродействие 40 тыс. операций в секунду. В 1961 г. на испытаниях зенитная ракета, управляемая машиной М-40, успешно сбивает межконтинентальную баллистическую ракету, способную нести ядерное оружие. Машины М-40 и далее М-50 использовались в системе противоракетной обороны страны.

В создании программного обеспечения для машин М-40, М-50 и БЭСМ-6 активное участие принимал Лев Николаевич Королев. Под его руководством был разработан комплекс управляющих программ для системы противоракетной обороны страны на базе ЭВМ М-40 и М-50, а в 1967 г - первая операционная система для БЭСМ-6, названная позднее «Диспетчер-68».

Среди специализированных ЭВМ второго поколения следует отметить секретный компьютер 5Э92Б, созданный под руководством Лебедева в 1964 г. на дискретных транзисторах. Он использовался в первой советской системе противоракетной обороны г. Москвы. Его быстродействие - 0,5 млн операций в секунду, емкость ОП - 32 тыс. 48-разрядных слов.

Вершиной научных и инженерных достижений С.А. Лебедева стала машина БЭСМ-6. Лебедев с самого начала работ над созданием цифровой вычислительной техники делал ставку на сверхбыстродействие и последовательно проводил в жизнь основной принцип его достижения - распараллеливание вычислительных процессов. При создании БЭСМ-6 он пришел к реализации принципа конвейерной обработки команд, т.е. совмещения выполнения нескольких команд, находящихся на разных стадиях выполнения. Для этого в структуру ЭВМ внесли ряд новых технических решений:

- ОП разделили на 8 блоков с возможностью одновременной выборки информации;

- реализовали буфер обращений к ОП, чтобы устройство управления могло просматривать команды "вперед";

- организовали параллельную и асинхронную работу модулей памяти, управления и арифметики;

- сделали системный кэш - сверхбыструю регистровую память небольшого объема.

В итоге при достаточно большом времени от начала выполнения команды до ее полного завершения общий темп выполнения потока команд при их совмещении оказался очень высоким.

Важнейшей заслугой БЭСМ-6 является появление стимула к развитию отечественного программирования. На БЭСМ-6 появились первые полноценные операционные системы (ОС), мощные трансляторы, ценная библиотека численных методов и др.

Первая ОС - «Диспетчер-68» (разработка ИТМиВТ) появилась в 1967 г. и обеспечивала решение задач в мультипрограммном режиме. Также появились ОС «Дубна», «Диспак» (1971 г., Челябинск), ОС ИПМ (Институт прикладной математики АН СССР). ИПМ во многом схожа с современной ОС UNIX. Лидером среди ОС для БЭСМ-6 стал «Диспак», который использовался большинством организаций до 90-х годов, где были установлены машины БЭСМ-6. В целом ОС для БЭСМ-6 обеспечивали мультипрограммный режим работы; режим работы в реальном времени; работу в составе многомашинного комплекса.

В процессе работы над БЭСМ-6 формировались основные принципы САПР ЭВМ. Впервые схемы машины записывались формулами булевой алгебры. Из таких формул состояла документация для наладки и эксплуатации. Документация для монтажа поставлялась на заказ в виде таблиц, полученных на БЭСМ-2.

Такое формальное описание БЭСМ-6 стало источником неприятностей при сдаче машины. Государственная комиссия потребовала обычные чертежи всех схем. Но сложность схем сделала эту задачу практически неразрешимой. Сдача машины в эксплуатацию оказалась под угрозой. Принимать БЭСМ-6 должна была гражданская комиссия, а не военная. Комиссию возглавлял президент АН СССР Мстислав Келдыш. Поэтому БЭСМ-6 прошла испытания, была принята в эксплуатацию и получила от комиссии высокую оценку.

В 1969 г. разработчики БЭСМ-6 получили Государственную премию СССР.

6.4. Машины И.С. Брука и его учеников

Исаак Семенович Брук - один из пионеров отечественной вычислительной техники. Он закончил МВТУ им. Н.Э.Баумана в 1925 г. (в одной группе с ним учился С.А.Лебедев). По окончании учебы работал во Всесоюзном электротехническом институте, на заводе в Харькове, с 1935 г. - в Энергетическом институте АН. Занимался разработкой механических и электронных аналоговых интеграторов. В 1948 г. вместе с Б.И. Рамеевым разработал проект цифровой ЭВМ, который так и не был реализован.

К созданию электронных цифровых вычислительных машин И.С. Брук вернулся в 1950 г. после принятия на работу талантливых выпускников МЭИ, среди которых были будущие крупные ученые и разработчики ЭВМ Н.Я. Матюхин и М.А. Карцев.

Матюхин Николай Яковлевич (1927-1984) - один из главных создателей вычислительной техники в СССР, один из первых разработчиков САПР вычислительных систем и устройств. Он в 1950 г. окончил МЭИ и был направлен в Энергетический институт АН СССР в лабораторию И.С. Брука.

Первой ЭВМ, созданной под руководством И.С. Брука, стала машина М-1. Ее главным конструктором фактически стал молодой специалист Н.Я. Матюхин. Машина М-1 была сдана в эксплуатацию в 1952 г. и стала второй ЭВМ в стране (после МЭСМ) и первой в Москве.

М-1 открыла новое направление в развитии отечественной вычислительной техники - малые ЭВМ преимущественно для научных применений. Позже Брук сформулирует концепцию создания малогабаритных специализированных и управляющих машин.

Машина М-1 действительно была первой малогабаритной ЭВМ. Она содержала 730 ламп и занимала площадь 15 м2 (для сравнения МЭСМ - 6 тыс. ламп и 60 м2). М-1 выполняла 15-20 операций в секунду (сложение - 20 мс, умножение 2 с), оперативная память имела емкость 512 слов по 25 разрядов. М-1 создана в единственном экземпляре и использовалась для важных расчетов, которые выполняли коллективы под руководством академика И.В. Курчатова и главного конструктора С.П. Королева.

Машина М-2 также создавалась в лаборатории Брука. Ее главным конструктором был Михаил Александрович Карцев (1923-1983) - один из видных создателей отечественной вычислительной техники, в то время также выпускник МЭИ, сотрудник лаборатории Брука.

Работа над М-2 была проведена в короткий срок - с апреля по декабрь 1952 г. Быстродействие - 2 тыс. операций в секунду, содержала более 1,5 тыс. ламп. Эта машина была более совершенной, чем М-1, и эксплуатировалась 15 лет. Ее использовали Энергетический институт АН СССР, Институт экспериментальной и теоретической физики, Институт прогнозов погоды, МАИ, Курчатовский институт, Институт механики АН СССР, Институт экономики и др. Использование М-2 сопровождалось созданием математического обеспечения, включая обслуживающие программы - предшественницы операционных систем.

После сдачи в эксплуатацию М-1 Матюхин стал заниматься разработкой М-3. Эта ЭВМ была завершена в 1956 г. Она занимала всего 3 м2 площади и была очень удачной с точки зрения технических решений: быстродействие 1,5 тыс. операций в секунду; память на ферритовых сердечниках. Схемы М-3 были взяты за основу при серийном производстве ЭВМ:

- в Армении (Ереванский институт математических машин) по документации М-3 в производство были запущены ЭВМ «Арагац» и «Раздан»;

- в Белоруссии (Завод счетных машин в Минске) машина М-3 взята за основу первой ЭВМ серии «Минск».

Схемы М-3 были переданы в АН Китая и Венгрии, что способствовало развитию вычислительной техники в этих странах.

Таким образом, М-3 окончательно воплотила концепцию Брука по созданию малогабаритных ЭВМ общего назначения, включая управление производственными процессами.

В 1956 г. лаборатория Брука выделилась из Энергетического института в самостоятельный научный коллектив под названием «Лаборатория управляющих машин и систем (ЛУМС)», которая в 1958 г. была переименована в ИНЭУМ - Институт электронных управляющих машин.

В 1957 г. ЛУМС приступает к разработке секретной ЭВМ для управления и обработки информации радиолокационной станции «Днепр», которая строилась в рамках системы раннего предупреждения о ракетном нападении (СПРН). Так же как и противоракетная оборона, эта система только начинала создаваться в СССР. Заметим, что ЭВМ для систем противоракетной обороны создавались под руководством С.А. Лебедева.

Задача управления такой РЛС предъявляла очень серьезные требования к объемам информации, скорости обработки, емкости памяти, надежности машины. Главным конструктором М-4 стал М.А. Карцев. Это был решающий поворот в его жизни. Вся дальнейшая научная деятельность будет связана с вычислительной техникой для СПРН.

М-4 была одной из первых машин на полупроводниковых транзисторах. Однако память по-прежнему делалась на ферритовых сердечниках. При создании М-4 был сделан ряд удачных новых решений:

- впервые внутренняя память была разделена на оперативную память данных и ПЗУ программ и констант (в результате повышалась устойчивость к отказам и сбоям);

- в М-4 появились спецпроцессоры ввода/вывода (параллельно выполнялись обработка данных и обмен с внешними устройствами);

- аппаратно реализовали операцию извлечения квадратного корня (в указанных задачах эта операция занимает примерно 30 % общего времени счета).

В итоге М-4 работала со скоростью 20 тыс. операций в секунду. В 1960 г. Загорский электромеханический завод выпустил 2 экземпляра машины М-4. Одну из машин установили на объект - РЛС «Днепр» около озера Балхаш. Совместно с разработчиками РЛС выполнялась настройка М-4. В 1962 г. объект в целом прошел государственные испытания и был принят в эксплуатацию.

Сложная структура СПРН предъявляла особые требования к мощности ЭВМ. В середине 60-х годов Карцев приходит к выводу, что при сохранении традиционной фон неймановской структуры быстродействие ЭВМ достигнет предела, за которым рост производительности станет невозможным. Причина - ограниченная скорость распространения электрических сигналов. Выход Карцев видел в создании многопроцессорных систем, которые могут параллельно выполнять различные части вычислительных задач.

В 1967 г. был предложен проект комплекса М-9. Система должна была состоять из нескольких крупных блоков, называемых «связками» и объединенных мощными магистральными связями. Центральная роль отводилась «функциональной связке» - матрице вычислителей с общим потоком команд (SIMD), которая выполняла операции не над числами, как в традиционных машинах, а над функциями одного или двух операндов, заданных в дискретных точках. Выполнение алгоритмов с меньшим параллелизмом возлагалось на «числовую связку» - линейный блок вычислителей (фактически векторную машину). «Ассоциативная связка» предназначалась для выполнения операций сравнения.

Кроме того, проект М-9 предусматривал возможность объединения нескольких таких комплексов в единую систему. По оценкам разработчиков, реализация всех этих идей должна была обеспечить быстродействие в миллиард операций в секунду.

Это была слишком смелая идея, и проект не был воплощен. В 1967 г. еще даже не пошла в эксплуатацию БЭСМ-6 с производительностью в 1 млн операций в секунду. В результате организационных сложностей отдел под руководством Карцева вышел из состава ИНЭУМ и был преобразован в НИИ вычислительных комплексов (НИИ ВК).

В 1972 г. завершилось создание новой ЭВМ (после М-4) для СПРН. Разработчики назвали ее М-10, заказчик обозначал как 5Э66. Это была суперпроизводительная ЭВМ, на основе которой создана система слежения за объектами в космосе с целью предупреждения о возможном ракетном нападении.

Машина М-10 была реализована как часть комплекса М-9, а именно - «числовая связка». М-10 - это многопроцессорная вычислительная система на микросхемах с распараллеливанием на уровнях команд и данных. Технические особенности: длинное командное слово с двумя кодами операций для одновременного выполнения на разных АЛУ; использование векторных операций. Несколько машин М-10 могли объединяться в более сложную систему и обеспечивать распараллеливание на уровне задач.

М-10 имела быстродействие 5 млн операций в секунду, емкость внутренней памяти - 5 Мбайт. С такими характеристиками она превосходила все советские машины до начала 80-х годов, но была секретной ЭВМ. В определенных физических расчетах М-10 была быстрее БЭСМ-6 более чем в 20 раз и в 45 раз быстрее одной из старших моделей ЕС ЭВМ.

В ЭВМ М-10 Карцев еще в начале 70-х годов реализует базовые принципы RISC-архитектуры:

- длинное командное слово;

- сокращенный набор команд;

- выполнение большинства операций за 1 такт.

Операционная система с разделением времени позволяла одновременно работать на машине с 8 терминальных пультов.

Следующий комплекс М-13 дорабатывался уже после смерти М.А. Карцева. Машина М-13 была запущена в производство в 1984 г. Она представляла собой многопроцессорную ЭВМ на элементной базе четвертого поколения – БИС, предназначенную для обработки больших потоков информации в реальном масштабе времени.

Предыдущая машина М-10 предусматривала распараллеливание вычислений на трех уровнях: уровне команд (длинное командное слово); уровне данных (векторная команда); уровне программ (многомашинные комплексы). В М-13 разработчики ограничились распараллеливанием на уровне данных, но добавили конвейеризацию операций. Машина М-13 стала первой в СССР векторно-конвейерной ЭВМ.

М-13 предназначалась для работы в комплексе с новой РЛС в системе СПРН. М-13 - это многопроцессорная машина, в которой каждый процессор был ориентирован на выполнение определенных функций. Все устройства ЭВМ группировались по функциональному назначению.

Основные вычисления выполнялись в центральной процессорной части, которая включала векторное АЛУ из 4, 8 или 16 арифметических процессоров (в зависимости от модели) и процессор мультиплексного канала. Производительность этой части составляла 12, 24 или 48 млн операций в секунду соответственно (в зависимости от конфигурации). В АЛУ была реализована уникальная система аппаратного контроля, которая автоматически обнаруживала любой неисправный блок.

Следующая группа устройств представляла собой средства аппаратной поддержки ОС и содержала центральный управляющий процессор, таблицы виртуальной трехуровневой памяти и средства поиска.

Еще одна часть машины - абонентская система - состояла из программируемых сопрягающих процессоров для подключения различных внешних устройств.

Для работы в составе вычислительного комплекса РЛС в М-13 потребовалось включить спецпроцессор цифровой обработки сигналов. Он выполнял такие функции, как быстрое преобразование Фурье (БПФ), вычисление корреляционных функций, сравнение с пороговыми значениями, проверка гипотез и др. Базовая операция этого спецпроцессора - двухточечное преобразование Фурье - выполнялась за один такт.

Далее кратко отметим достижениями другого известного ученика Брука - Матюхина Н.Я. В 1957 г. Матюхин и группа сотрудников лаборатории Брука перешли на работу в НИИ АА (НИИ автоматической аппаратуры). Тогда в этом НИИ началась разработка аппаратуры для советской системы ПВО. Матюхин в качестве главного конструктора участвовал в разработке ряда специализированных ЭВМ для управления в системах ПВО. Это ЭВМ «Тетива» (1962 г.), 5Э63 (1965 г.), 5Э76 (1973 г.), комплекс 65с180 (1976 г.) и др. Некоторые их этих машин выпускались до 1992 г. Например, машин 5Э63-1 было выпущено 330 штук.

Первая ЭВМ Матюхина для ПВО «Тетива» оказалась одновременно первой советской ЭВМ на полупроводниках и первой в СССР машиной с микропрограммным управлением. Также одним из первых в СССР Матюхин в этой машине реализовал разделение памяти данных (ОЗУ) и памяти программ (ПЗУ), что важно для повышения надежности.

В 1969 г. началась работа над глобальной АСУ оборонного назначения. Эта система должна была охватить территорию всей страны от Балтийского моря до Тихого океана сетью центров коммутации сообщений. К 1976 г. этот фактически первый проект глобальной сети ЭВМ в СССР стал реальностью. Он обеспечивал устойчивую связь между такими центрами коммутации сообщений и их безотказную круглосуточную работу в автоматическом режиме.

В центрах коммутации сообщений использовались двухмашинные комплексы на базе ЭВМ 5Э76. При любых сбоях происходило автоматическое переключение с машины на машину, хотя в комплексе было предусмотрено и рабочее место оператора. Опыт создания отказоустойчивых кластеров из двух машин был получен при создании комплексов из ЭВМ «Тетива» на объектах ПВО.

Машина 5Э76 интересна тем, что в этой специализированной ЭВМ была реализована архитектура универсальных машин серии ЕС ЭВМ. Это позволило значительно упростить разработку сложнейшего программного обеспечения для систем ПВО. Однако труднее стало строить аппаратную часть, так как к машинам специального назначения предъявляют особые требования по элементной базе, конструкции и др. Коллектив Матюхина был готов к решению этой задачи, поскольку с 1964 г. сам Матюхин серьезно занимался проблемой автоматизации проектирования средств вычислительной техники.

Заслугой Матюхина является создание первой в СССР САПР средств вычислительной техники с названием АСП-1 (1968 г.). В частности, в этой системе для логического моделирования цифровых устройств были предложены язык МОДИС и моделирующая программа на его основе.

Под руководством Матюхина издана первая в СССР книга по САПР ЭВМ, вышедшая в 1968 г. (монография «Применение вычислительных машин для проектирования цифровых устройств» под ред. Н.Я. Матюхина. М.: Советское радио, 1968 г.) Она содержала важнейшие принципы построения САПР ЭВМ, которые затем удалось с успехом применить на практике.

6.5. ЭВМ, созданные под руководством В.М. Глушкова

Виктор Михайлович Глушков (1923-1982) - выдающийся советский ученый в области кибернетики. В 1948 г. окончил Ростовский-на-Дону университет и был направлен для работы в Свердловский лесотехнический институт как специалист-математик в качестве ассистента. В 1950 г. защитил кандидатскую диссертацию.

В 1956 г. переехал в Киев, где возглавил лабораторию вычислительной техники в Институте математики АН УССР, которой до этого руководил С.А. Лебедев, уехавший в Москву. В Киеве Глушков занимался разработкой теории проектирования ЭВМ. С 1958 г. под его научным руководством разрабатывалась управляющая ЭВМ «Днепр». С 1961 г. началось внедрение этих машин на заводах СССР. Заметим, что это была одна из первых отечественных управляющих ЭВМ, которая появилась одновременно с управляющими машинами в США. Машина «Днепр» выпускалась целое десятилетие (хотя срок морального старения ЭВМ составляет 5-6 лет).

В 1962 г. по инициативе Глушкова в Киеве создается Институт кибернетики АН УССР, а в 1963 г. - СКБ вычислительных машин. После "Днепра" главное направление работы Глушкова - создание интеллектуальных ЭВМ, т.е. воплощение искусственного интеллекта в архитектуре ЭВМ. В это время мировая тенденция развития машинных языков предусматривала их упрощение и развитие средств автоматизации программирования. Глушков же считал необходимым всемерно развивать «интеллект» самой машины. И важным этапом на пути к этой цели была аппаратная поддержка возможностей языков высокого уровня.

Сначала были разработаны миниатюрные (по тем временам) машины «Проминь» (1962 г.) и МИР-1 (1965 г.), упрощающие инженерные расчеты. В частности, разработчики из Института кибернетики создали оригинальный язык, который позволял записывать формулы с помощью общепринятых математических символов, включал операторы, заданные русскими словами («вычислить», «заменить», «если» и т.п.), и при этом имел элементы традиционных процедурных языков. Машина МИР-1 интерпретировала этот язык аппаратными средствами. Позже появились более совершенные машины МИР-2 и МИР-3. Производство МИР-2 началось в 1969 г.

Машины МИР-2 и МИР-3 успешно выполняли аналитические преобразования. В частности, МИР-2 была способна брать интегралы, часто недоступные для преподавателя мехмата. Кроме того, в МИР-2 впервые появилась возможность работать с ЭВМ в режиме диалога. С помощью дисплея со световым пером пользователь мог вводить и получать на экране графическую информацию и решать некоторые геометрические задачи. Машина МИР-3 имела входной язык высокого уровня «АНАЛИТИК», близкий к обычному математическому языку и одновременно являвшийся традиционным алгоритмическим языком (подобным Алголу). Разработками института кибернетики заинтересовались в США. Единственный случай покупки американцами советской ЭВМ относится именно к машине МИР-1.

В конце 60-х годов Глушков начал работу над проектом новой ЭВМ. Проект «Украина» предполагал построение высокопроизводительной универсальной ЭВМ с высокоуровневым машинным языком и архитектурой, отличной от фон неймановской. Проект остался нереализованным, так как отсутствовали элементная база и производственные технологии, необходимые для решения такой сложной задачи, как аппаратная реализация языков высокого уровня в структуре ЭВМ. Заметим, что достаточного уровня технологии и элементной базы для этого в те годы не было и в США.

Важным направлением работ Института кибернетики была автоматизация управления предприятиями. Конечной целью этих работ было создание ОГАС - общегосударственной автоматизированной системы управления экономикой. Еще в 1964 г. Глушков разработал основные предложения по созданию ОГАС, так как он предвидел, что без АСУ на государственном уровне экономику страны в ближайшие годы ждет кризис. Частью ОГАС было развертывание единой сети вычислительных центров. В США проект подобной сети ARPANET появился позже. Требовались значительные усилия и средства для реализации такой грандиозной задачи. Однако в полной мере эти предложения не были реализованы. Основной причиной было непонимание руководством страны и частью экономистов того, что может дать широкая компьютеризация экономики.

7. ИСТОРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭВМ

7.1. Отечественная ЭВМ «Сетунь»

Для представления информации в компьютерах используется двоичная система, в соответствии с которой единица данных, байт, представляет собой последовательность нулей и единиц. Но в Советском Союзе была создана и несколько лет успешно работала троичная машина ЭВМ «Сетунь», разработка которой завершилась в 1959 году в стенах МГУ. Ее главный конструктор - Николай Петрович Брусенцов.

Брусенцов начал работу в Московском университете в 1953 году, сразу после окончания МЭИ. Вначале занимался разовыми работами в только что созданном СКБ при МГУ. Благодаря знакомству с сотрудником Брука, Николай Петрович смог увидеть работающую машину М-2, что предопределило его дальнейшую научную судьбу.

Возглавлявший в те годы кафедру вычислительной математики мехмата МГУ Сергей Львович Соболев намеревался заполучить М-2 в университет. Но по стечению обстоятельств машина в МГУ не попала. Соболев же загорелся идеей разработки малой ЭВМ специально для использования в учебных заведениях. Для этого при только еще организующемся ВЦ МГУ открывается специальная проблемная лаборатория, а при ней - семинар, где первые университетские программисты - М.Р. Шура-Бура, К.А. Семендяев, Е.А. Жоголев и, конечно, сам Соболев - искали пути к созданию малогабаритной, надежной, простой в использовании и недорогой машины. Брусенцов, который также по инициативе Соболева был переведен на мехмат, включился в работу семинара.

Один из основных обсуждавшихся вопросов - на какой элементной базе строить машину. Ламповые машины уже тогда казались чересчур громоздкими и энергоемкими, их эксплуатация и обслуживание требовали значительных усилий. Полупроводниковые транзисторы только начинали появляться и были слишком ненадежными. Остановились на магнитных элементах. 23 апреля 1956 года состоялось заседание семинара, участники которого приняли окончательное решение о разработке малой ЭВМ на магнитных логических элементах (пока речь идет о машине с двоичным представлением данных), были сформулированы технические требования и назначен руководитель разработки – Н.П. Брусенцов. Он же и единственный исполнитель.

К этому времени уже существовала машина, полностью выполненная на магнитных элементах, - в ИТМиВТ, в лаборатории электромоделирования Л.И. Гутенмахера. За несколько лет до того именно Гутенмахер должен был стать основным разработчиком ЭВМ в СКБ-245, причем планировалось делать машину на разработанных им феррит-диодных элементах. Однако с приходом в СКБ Рамеева работа была переориентирована на электронные лампы, и в результате появилась ЭВМ «Стрела». Гутенмахер же закончил свою машину в ИТМиВТ, где она и работала. Машина была низкой производительности, с большим количеством недостатков, особенно в отношении электротехники. Поскольку новую университетскую ЭВМ решено было строить на магнитных элементах, Брусенцова по протекции Соболева допустили в окутанную атмосферой большой секретности лабораторию Гутенмахера на стажировку.

Размышления о том, как устранить многочисленные проблемы этой машины, неожиданно привели его к мысли об использовании троичной системы счисления. Вот что пишет он сам: «Оказалось, что эти элементы не только весьма удобны для построения троичных цифровых устройств. Троичные устройства получаются существенно более экономными в отношении количества оборудования и потребляемой мощности, более быстрыми и структурно более простыми, чем двоичные устройства, реализованные на тех же элементах». Соболев поддержал замысел Брусенцова - создать троичную ЭВМ. Штат лаборатории увеличился до 20 человек, которые собственными руками изготовили опытный образец машины (он эксплуатировался в МГУ 15 лет). Наладка была выполнена очень быстро - за десять дней. Назвать новую ЭВМ решили по имени речки, протекавшей недалеко от университета, «Сетунь».

В троичной цифровой технике используются трехзначные сигналы и трехстабильные элементы памяти (трит). Аналог байта - трайт (шестерка тритов). Очевидно, что по сравнению с двоичной ЭВМ в троичной машине элементы усложняются, но зато удается упростить создаваемые из них структуры и увеличить скорость обработки данных. Своей простотой и практичностью «Сетунь» обязана представлению чисел и команд в симметричном коде (–1, 0, 1). По существу, у университетских разработчиков получился первый RISC-компьютер: длина машинного слова - 9 тритов, всего 24 команды, при этом удавалось с большой эффективностью реализовать разнообразные алгоритмы. На «Сетуни» решались задачи математического моделирования в физике и химии, оптимизации управления производством, краткосрочных прогнозов погоды, конструкторских расчетов, компьютерного обучения, автоматизированной обработки экспериментальных данных и т.д.

Еще одной особенностью машины была страничная двухуровневая организация памяти. Магнитный барабан, позаимствованный у ЭВМ «Урал», был связан с быстрой оперативной памятью постраничным обменом.

Брусенцов стремился опровергнуть миф о трудной постижимости, даже некой мистичности трехзначной логики, на которой основывается работа «Сетуни». Миф этот берет начало в средних веках, когда проповедовавшего идеи трехзначной логики Уильяма Оккама чуть не сожгли на костре. Себе в союзники Брусенцов берет Аристотеля и Льюиса Кэрролла, также развивавших принципы трехзначной логики. На самом деле в жизни очень многие вопросы предполагают тройственный ответ: да - нет - может быть, поэтому трехзначная логика вполне адекватна действительности и, может быть, как форма мышления даже более удобна и привычна для людей, чем логика двузначная.

Однако, несмотря на очевидные плюсы нетрадиционной машины, зеленой улицы ей не дали. «Сетунь» выпускалась серийно в Казани, но небольшими партиями, по 15-20 машин в год без большого энтузиазма со стороны производственников. За пять лет было выпущено 50 машин, 30 из них стояли в высших учебных заведениях. «Сетунь» действительно оказалась надежной - практически без всякого сервиса она работала и в Калининграде, и в Магадане.

Брусенцов развил свои идеи в новой машине «Сетунь-70», которая была закончена в 1968 году. Убежденный в том, что «истинный RISC может быть только троичным» (хотя в те годы эта терминология еще не употреблялась), он создал машину, в которой объединил принципы эффективной архитектуры на минимальном наборе команд, трехзначную логику, троичный код и идеи структурного программирования. Но после завершения работ над «Сетунью-70» лаборатория Брусенцова была вынуждена прекратить разработки ЭВМ, фактически изгнана из МГУ. Тем не менее, на новой машине удалось сделать систему «Наставник», которая использовалась в процессе обучения студентов с помощью компьютера.

7.2. Первые зарубежные суперЭВМ

Первым разработчиком суперкомпьютеров, производимых во всем мире, является американский специалист Сеймур Крей (1925 – 1996). В своих разработках он использовал принципы RISC-технологии еще до того, как эта технология была признана.

Первый компьютер Крея создан в 1958 г. на транзисторной базе в компании CDC (Control Data Corporation). Это ЭВМ CDC 1604. Следующими, более известными компьютерами Крея были большие ЭВМ CDC 6600 (1964 г.) и CDC 7600 (1969 г.) с производительностью более 1 Мфлопс и около 10 Мфлопс соответственно.

Наибольшую известность на стыке 60-х и 70-х годов прошлого века получил ILLIAC-IV, законченный в 1972 г. фирмой Burroughs. Машина ILLIAC-IV представляла собой 16-процессорную систему, в которой впервые использовалась быстрая память на микросхемах. Быстродействие достигало 150 - 200 Мфлопс. Это была система военного назначения, которая эксплуатировалась до 1983 г. (более 10 лет).

В 1972 г. С. Крей решил основать собственную фирму Cray Research и приступил к проектированию первой в мире векторно-конвейерной ЭВМ Cray-1. Это решение было принято после того, как CDC прекратила работу над суперЭВМ. Cray-1 был построен на интегральных микросхемах нового типа (ЭСЛ-логика). Производительность была примерно равна производительности ILLIAC-IV и достигала 160 Мфлопс. Объем памяти составлял 8 Мбайт и был поделен на 16 блоков емкостью 64К 48-разрядных слов с временем доступа 12,5 нс. Внешняя память на магнитных дисках - 450 Мбайт с возможностью расширения до 8 Гбайт.

Для машины Cray-1 были созданы оптимизирующий транслятор с языка Фортран, макроассемблер и специальная многозадачная операционная система. Необходимо отметить, что Cray-1 имел оригинальную конструкцию, в которой минимизировались длины проводников. Кроме того, Cray-1 был заметно дешевле, чем ILLIAC-IV, и предназначался для исследовательных целей. Он стоил 8,8 млн $ и был установлен в национальной лаборатории в Лос-Аламосе.

Дальнейшие разработки фирмы Cray Research: Cray-2 (1985 г.) с быстродействием 2 млрд операций в секунду; Cray-3 (1989 г.) - быстродействие 5 млрд операций в секунду. Эти суперЭВМ были самыми производительными в мире в то время. Cray-3 имел тактовую частоту 500 МГц, что было достигнуто благодаря использованию арсенид-галлиевых микросхем, Cray-4 - частоту 1 ГГц. В то время такие мощные компьютеры не были востребованы, и в итоге Cray-3 и Cray-4 так и не были проданы. С. Крей погиб в автокатастрофе в 1996 г.

В конце 80-х годов в США финансирование военных проектов, неразрывно связанных с суперЭВМ, временно сократилось. Это связано с окончанием холодной войны и гонки вооружений. Лидерство на мировом рынке сразу же захватили японские фирмы Fujitsu, Hitachi и NEC (Nippon Electric Company). Ими была предложена коммерческая концепция распределенных вычислений в среде из множества дешевых микропроцессоров.

Летом 1995 г. два токийских университета продемонстрировали суперкомпьютер GRAPE-4, предназначенный для моделирования задач астрофизики. Он был собран из 1692 микропроцессоров и стоил всего 2 млн $. Достигнутая производительность составляла 1,08 Tфлопс. Этот компьютер впервые в мире преодолел порог быстродействия в 1 Тфлопс.

Идея распределенных вычислений оказалась очень плодотворной. В конце 1996 г. компания Cray Research сообщила, что разработанная модель Cray T3E-900, содержащая 2048 процессоров, побила рекорд японцев и достигла производительности 1,8 Тфлопс.

В декабре 1996 г. фирмой Intel был создан суперкомпьютер Sandia. Его окончательный вариант имел производительность 1,4 Тфлопс. Он содержал 86 стоек по 128 процессоров Pentium Pro (200 МГц) - всего более 11 тыс. процессоров, 573 Гб оперативной памяти, 2250 Гб дисковой памяти. Площадь 160 м2 , масса 45 т, потребление энергии 850 кВт.

Наиболее известными моделями суперЭВМ в то время были: NEC SX-4 (1 Тфлопс); Hitachi SR 2201 (0,6 Тфлопс); Fujitsu Siemens VPP 700 (0,5 Тфлопс). В 1997 г. появились сообщения о проекте моделирования ядерного взрыва (ASCI) в лаборатории Лос-Аламоса. Созданный в рамках проекта комплекс ASCI Red на 9632 процессорах Pentium Pro компании Intel показал производительность в 3,2 Тфлопс. В 1998 г. NEC Corporation сообщила о создании суперкомпьютера SX-5 с производительностью 4 Тфлопс, содержащего всего 512 процессоров.

Позже мировыми лидерами по производительности стали следующие суперкомпьютеры: 2002 г. - ASCI White фирмы IBM с 8192 процессорами (7,3 Тфлопс); 2003 г. - Earth-Simulator компании NEC, включающий 5120 процессоров (35,9 Tфлопс0; 2004 г. - IBM Blue Gene/L (70,7 Тфлопс). Известные проекты на 2004 г.: ASCI Purple - 196 серверов, содержащих по 64 процессора (всего 12544 процессора, 100 Тфлопс); Blue Gene/L - 130 тыс. процессоров (360 Тфлопс). В 2004 г. порог в 10 Тфлопс преодолел китайский суперкомпьютер "Шугуан 4000А", установленный в Шанхае.

В 2002 г. в TOP-500 (список наиболее производительных ЭВМ) впервые вошел российский суперкомпьютер, заняв 74-е место. Это модель MBC 1000M (0,735 Тфлопс). Создан на базе 768 процессоров Alpha фирмы Digital Equipment (64-разрядный RISC-процессор, разработанный на рубеже 80 - 90-х годов).

В 2004 г. в TOP-500 на 210-м месте - российский компьютер MBC 5000БМ (1,4 Тфлопс, содержит 336 микропроцессоров Power PC с тактовой частотой 1,6 ГГц). На 98-м месте - установленный в Белоруссии компьютер СКИФ К-1000 с производительностью 2 Тфлопс. Он создавался 20 российскими и белорусскими предприятиями.

7.3. Многопроцессорные вычислительные комплексы        «Эльбрус»

Проект по созданию суперЭВМ "Эльбрус" был начат еще С.А. Лебедевым, а после его смерти работу возглавил ученик и соратник ученого Всеволод Сергеевич Бурцев. В конце 60-х в стране были начаты работы по созданию единой серии ЭВМ общего назначения. Надо сказать, что С.А. Лебедеву предлагали возглавить этот масштабный проект, однако академик предпочел развивать линию вычислительных систем сверхвысокой производительности. Разработка таких «предельных» машин имела определенные отличия от создания универсальных ЭВМ, поскольку здесь предъявлялись максимальные требования и к архитектуре, и к элементной базе, и к конструкции вычислительной системы.

Вычислительные комплексы «Эльбрус» - это серия советских суперЭВМ, разработанных в ИТМиВТ в 1970-1990-х годах. В работе над этими машинами и рядом предшествующих им разработок института во главу угла ставились вопросы эффективной реализации отказоустойчивости и безостановочной работы системы. Поэтому в них появляются такие особенности, как многопроцессорность и связанные с ней средства распараллеливания ветвей задачи.

Многопроцессорный вычислительный комплекс Эльбрус-1, разработанный в 1973 - 1979 годах и сданный государственной комиссии в 1980 г., включал 10 процессоров и базировался на микросхемах средней степени интеграции. В этой машине советские ученые опередили американцев, создав симметричную многопроцессорную систему с общей памятью. По принципам построения система команд процессоров «Эльбрус» близка к системе команд ЭВМ компании Burroughs, считающейся нетрадиционной. Машина Эльбрус-1 обеспечивала быстродействие от 1,5 млн до 10 млн операций в секунду, а Эльбрус-2, работа над которым была завершена в 1985 г., - более 100 млн операций в секунду.

Эльбрус-2 также представлял собой симметричный многопроцессорный вычислительный комплекс из 10 суперскалярных процессоров, построенных на матричных полузаказных БИС, которые выпускались в Зеленограде. Серийное производство машин такой сложности потребовало срочного развертывания систем автоматизации проектирования ЭВМ, и эта задача была решена под руководством Г.Г. Рябова настолько успешно, что ее авторы были удостоены Государственной премии.

В целом вычислительные комплексы «Эльбрус» несли в себе ряд революционных новшеств. Суперскалярность процессорной обработки, симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью, реализация защищенного программирования с аппаратными типами данных - все эти возможности появились в отечественных машинах раньше, чем на западе. Г.Г. Рябов особо выделил создание единой операционной системы для многопроцессорных комплексов, разработкой которой руководил Борис Арташесович Бабаян, в свое время отвечавший за разработку системного программного обеспечения БЭСМ-6. Одной из важнейших задач этой ОС было управление параллельно выполняющимися процессами и их синхронизация. Наконец, функционирование столь масштабных систем требовало особого внимания к вопросам сопровождения и ремонта, замены элементов, обеспечения бесперебойности работы и помехоустойчивости ЭВМ, поиска эффективных решений проблемы теплоотвода.

Комплексы «Эльбрус» были весьма мощными вычислительными машинами, потребность в которых испытывали многие научные организации. Но основным заказчиком этих комплексов был военно-промышленный комплекс. Машины «Эльбрус» работали в целом ряде важных систем, связанных с обработкой радиолокационной информации, на них выполнялись расчеты в номерных Арзамасе и Челябинске, ими комплектовались системы обработки данных в центре управления полетами. На некоторых крупных объектах комплексы «Эльбрус» функционируют и по сегодняшний день.

Интересно, что в рамках программы «Эльбрус» в конце 80-х годов была создана микроэлектронная копия машины БЭСМ-6 - суперЭВМ «Эльбрус-Б» (руководитель работы – М.В. Тяпкин), на которой можно было работать в системе команд БЭСМ-6. Этих машин было выпущено немного, не более десятка экземпляров, из них четыре стояли в вычислительном центре МГУ.

Работа над последней машиной семейства Эльбрус-3 с быстродействием до 1 млрд операций в секунду и 16 процессорами была закончена в 1991 году. Однако на существовавшей в тот момент элементной базе система получилась чересчур громоздкой. Кроме того, как отмечает Г.Г. Рябов, в это время развитие рабочих станций и появление возможностей строить комплексы на их основе позволяли сделать вывод, что наращивание мощности за счет более простых структур во многих отношениях может оказаться экономически эффективнее.

7.4. Компьютеры фирмы IBM

В развитии вычислительной техники в США и мире главные роли играли и продолжают играть такие компании, как IBM, Hewlett-Packard (HP), CDC (Control Data Corporation), Intel (Integrated Electronics) и ряд других.

Фирма IBM – это мировой лидер в области создания средств вычислительной техники. Она основана в 1896 г. под названием Tabulating Machine Company изобретателем бумажных перфокарт и табуляторов Германом Холлеритом (1860 – 1929). С 1924 г. компания носит имя IBM (International Business Machines).

Первая ЭВМ этой фирмы IBM 701 была выпущена в 1953 г. Она была построена на лампах, имела быстродействие 17 тыс. операций в секунду, память – на электронно-лучевых трубках (потенциалоскопах). В совершенствовании IBM 701 и 702 принимали участие такие ведущие специалисты, как Джин Амдал и Джон Бэкус (автор языка и компилятора FORTRAN). В 1953 г. американский инженер Джей Форрестер изобрел запоминающее устройство на ферритовых сердечниках, которое стало использоваться в качестве оперативной памяти вместо потенциалоскопов. В 1955 г. появилась IBM 705, главным конструктором которой был Джин Амдал. Он же разработал операционную систему для этой машины. Появление параллелизма в вычислительной технике также относится к фирме IBM, когда в 1958 г. был предложен проект SOLOMON - проект первой машины класса SIMD. Это были машины первого поколения.

В 1959 г. IBM выпускает ЭВМ второго поколения (IBM 1401) и создает свой первый мэйнфрейм (mainframe) IBM 7090 с быстродействием 229 тыс. операций в секунду. Термин «мэйнфрейм» означает большой компьютер (класс ЭВМ) или большую вычислительную машину. Основные области применения – решение научно-технических и прикладных задач большой размерности; работа в вычислительных системах с пакетной обработкой данных; работа с большими базами данных; управление вычислительными сетями и их ресурсами. Одно из последних применений - большие серверы вычислительных сетей.

В 1964 г. IBM выпускает первые модели System/360 (IBM 360), назвав эту серию компьютерами третьего поколения. Первые модели были на гибридных микросхемах. Ряд System/360 был грандиозным проектом, стоимость которого составила $ 30 млрд, было задействовано около 100 тыс. сотрудников IBM.

Серия IBM 360 оказала решающее влияние на развитие вычислительной техники в СССР, где было принято решение о создании аналога - ЭВМ серии ЕС ЭВМ (ряд 1). С 1971 г. IBM предлагает модели семейства System/370 на монолитных интегральных схемах. В СССР создается аналог - ЕС ЭВМ (ряд 2).

В 1980 г. в исследовательском центре IBM был создан первый компьютер, оснащенный прототипом RISC-процессора, – IBM 801 Minicomputer. В нем была реализована суперскалярная архитектера, позволяющая выполнять параллельно несколько команд на независимых функциональных устройствах.

В 1981 г. фирма IBM выпустила на рынок свой первый персональный компьютер IBM РС. Разработку выполнила группа из 12 инженеров IBM. Были использованы микропроцессор 8088 фирмы Intel и операционная система DOS корпорации Microsoft.

В 1988 г. появилось семейство ЭВМ IBM AS/400, применяемых в основном в качестве серверов баз данных, серверов банковских транзакций и т.п. Конфигурации таких серверов на базе AS/400 могут быть многопроцессорными и строятся как SMP-системы. AS/400 относится к числу наиболее производительных SMP-систем. SMP-архитектура реализует технологию мультипроцессорной обработки данных с разделением памяти. Она строится на базе автономных серверов с общим полем оперативной памяти и общим пространством внешней памяти на базе дисковых запоминающих устройств (SMP - Shared Memory Multiprocessing).

В 1990 г. были выпущены мэйнфреймы семейства 390, которые, как и все предыдущие марки семейств 360 и 370, обеспечивали совместимость приложений «снизу-вверх». В этом же году получила развитие суперскалярная архитектура в ЭВМ RISC System/6000 (IBM RS/6000). Это архитектура POWER (Performance Optimization with Enhanced RISC).

В 2000 г. в IBM разработано уже шестое поколение мэйнфреймов серии 390 (S/390 G6).

7.5. Появление персональных компьютеров

Персональный компьютер – это ЭВМ, специально созданная для работы в однопользовательском режиме. Появление персонального компьютера прямо связано с рождением микрокомпьютера. Очень часто термины «персональный компьютер» и «микрокомпьютер» используются как синонимы.

Персональный компьютер - настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Эти компьютеры относят к вычислительным машинам четвертого и пятого поколений. Помимо ноутбуков, к переносным микрокомпьютерам относят и карманные компьютеры. Основными особенностями персонального компьютера являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей.

Идея персонального компьютера, в частности ноутбука, зародилась в Исследовательском центре фирмы Xerox. Ее автором является Алан Кей, работавший в этом центре с 1972 г. Он занимался проблемами безбумажных технологий и интерактивных режимов работы с ЭВМ. В 1977 г. Алан Кей опубликовал описание портативного интерактивного устройства с плоским сенсорным экраном, беспроводной системой коммуникаций и мультимедийными возможностями. Это устройство имело название Dynabook. К сожалению, этот проект не был завершен. В дальнейшем Кей работал в компании Apple, где были созданы персональные компьютеры Macintosh.

Первым разработчиком и производителем серийных персональных компьютеров является компания Apple Computer. Она была основана в 1976 г. Стивом Джобсом и Стивом Возняком. На собственные средства в помещении отцовского гаража С. Джобс с коллегой собрали первые персональные компьютеры Apple I. Они имели большой успех. Еще больший успех пришелся на долю Apple II (1977 г.), который впервые имел цветной экран дисплея, алфавитно-цифровую клавиатуру и пластиковый корпус. Дальнейшие модели персональных компьютеров компании Apple выпускались под названием Macintosh и базировались на основе микропроцессоров фирмы Motorola.

В 1985 г. Джобс покинул фирму Apple и основал компанию NeXT. Однако ни Apple, ни NeXT не смогли соперничать с тандемом IBM-Microsoft и компьютеры Apple Macintosh отошли на второй план.

Следует отметить одну из попыток сближения персональных компьютеров фирм IBM и Apple. В 1993 г. усилиями компаний Apple, IBM и Motorola был создан микропроцессор Power PC, построенный на основе RISC-архитектуры. В частности, 64-разрядный микропроцессор Power 4 использовался в мощных серверах IBM и компьютерах компании Apple.

7.6. Какими должны быть ЭВМ следующих поколений

Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ пятого поколения. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с первого по четвертое поколения стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов и достижение большей емкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ пятого поколения является создание искусственного интеллекта машины. Сюда относятся возможность делать логические выводы из представленных фактов, развитие «интеллектуализации» компьютеров, т.е. устранение барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальными знаниями в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях.

Уже сейчас вычислительная техника достигла просто потрясающих высот. Так, в 2002 году для Института наук о земле в городе Йокогама (Япония) корпорацией NEC был создан наимощнейший на сегодняшний день суперкомпьютер Earth Simulator. Производительность новой машины составляет 35,6 триллиона операций с плавающей запятой в секунду.

Каковы же перспективы совершенствования персональных компьютеров и что нас ожидает в дальнейшем в этой сфере? Сотрудникам Белловских лабораторий удалось создать транзистор размером в 60 атомов. Они считают, что в ближайшем будущем транзисторы по ряду параметров достигнут физических пределов. Так, размер транзистора должен стать чуть меньше 0,01 мкм (уже достигнут размер 0,05 мкм). Это означает, что на чипе площадью 10 см2 можно будет разместить 20 млн транзисторов. Описывая бурно развивающуюся в настоящее время технологию производства транзисторов, они приходят к достаточно логичному выводу, что сумма всех усовершенствований приведет к созданию «финального компьютера», более мощного, чем современные рабочие станции. Компьютер этот будет иметь размер почтовой марки.

В последнее время высказывались мысли и о том, что давно пора расстаться с электронами как основными действующими лицами на сценах микроэлектроники и обратиться к фотонам (квантовые компьютеры). Использование фотонов якобы позволит изготовить процессор компьютера размером с атом. О том, что наступление эпохи таких компьютеров уже не за горами говорит тот факт, что американским ученым удалось на доли секунды остановить фотонный пучок (луч света)...

8. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

8.1. САПР в электронике

История САПР в электронике берет свое начало в первой половине 60-х годов прошлого века.

В США первыми программами анализа нелинейных электронных схем были TAP, NET-1, разработанные в 1962 и 1964 гг. соответственно, а также более известная программа ECAP. У истоков автоматизации проектирования в электронике стояли Ф.Брэнин, Д.Калахан, Р.Рорер и др. В 80-е годы проблемами автоматизации проектирования СБИС на логическом и схемотехническом уровнях активно занимаются А.Ньютон, А.Санджованни-Винчентелли, С.Дайректор и др.

Первая в СССР программа анализа электронных схем разработана в МВТУ им. Н.Э.Баумана И.П.Норенковым, сообщение о ней появилось в 1965 г. Это была программа ПАЭС для ЭВМ Урал-2. В ней были использованы более ранние работы по моделированию полупроводниковых приборов, выполненные Д.Эберсом и Д.Моллом в США, С.Е.Жорно в СССР. В 70-е годы были созданы программы аналогичного назначения в Зеленограде В.П.Панферовым, в МАИ - В.Н.Ильиным, в МИФИ - А.Я.Архангельским, в Киеве - В.П.Сигорским и А.И.Петренко и др.

Американские ЭВМ были более быстродействующими, но советские программы не уступали американским по времени решения задач за счет использования разреженности матриц в математических моделях схем.

Уже в конце 60-х годов стала ясной необходимость комплексного подхода к автоматизации проектирования, обеспечивающего сквозной цикл разработки как БИС и СБИС, так и печатных плат. Создание САПР БИС и СБИС в Министерстве электронной промышленности СССР возглавляет НИИ молекулярной электроники. Работы ведутся под руководством сначала Г.Г. Казеннова, затем главного конструктора САПР МЭП Б.В. Баталова.

Разработка средств моделирования электронных схем стимулировала развитие численных методов решения возникающих задач. С 1972 г. разработчики программ анализа перешли на использование неявных методов интегрирования систем дифференциальных уравнений. Появляются А-устойчивые методы (Гира, неявно-явные), обобщаются методы разреженных матриц, разрабатываются методы ускоренного моделирования быстроосциллирующих процессов.

С ростом степени интеграции микроэлектронных схем задачи проектирования становятся все более сложными. Разработка БИС и СБИС без автоматизации проектирования уже невозможна. Для преодоления сложностей топологического проектирования СБИС С.Мид и Д.Конвей в 1980 г. разрабатывают систему автоматического проектирования топологии, названную кремниевым компилятором и основанную на применении совокупности правил преобразования высокоуровневого описания схемы в реальную топологию.

Появляются компании, целиком специализирующиеся на создании средств ECAD. Среди них выделяются три гранда - Mentor Graphics, Cadence, Synopsys.

8.2. САПР в машиностроении

Основными требованиями к промышленному производству являются сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение ее качества. Выполнить эти требования невозможно без широкого использования методов и систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAD/CAM/CAE-систем).

Историю развития CAD/CAM/CAE-систем в машиностроении часто разделяют на несколько этапов.

На первом этапе (до конца 70-х годов) был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность автоматизированного проектирования сложных промышленных изделий. Возможности систем на первом этапе в значительной мере определялись характеристиками имеющихся в то время графических аппаратных средств. Преимущественно использовались графические терминалы, подключаемые к мэйнфреймам, в качестве которых применялись компьютеры компаний IBM и CDC, или к мини-ЭВМ типа PDP/11. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000.

На втором этапе (80-е годы) появились и начали использоваться графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun Microsystems с архитектурой SPARC или автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX от DEC под управлением ОС Unix. К концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась примерно до $20000. Тем самым были созданы предпосылки для разработки CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения.

На третьем этапе (начиная с 90-х годов) бурное развитие микропроцессоров привело к возможности использования рабочих станций на персональных ЭВМ, что заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. На этом этапе продолжается совершенствование систем и расширение их функциональности. Начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Wintel не уступают Unix-станциям по объемам продаж. Стоимость лицензии снизилась до нескольких тысяч долларов.

Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.

Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы и в начале 90-х такое деление основывалось на значительном различии характеристик используемого для САПР вычислительного оборудования. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного геометрического моделирования применительно к сборочным узлам из многих деталей. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах. По мере улучшения характеристик персональных компьютеров удавалось создавать сравнительно недорогие системы с возможностями параметрического и ассоциативного 3D-моделирования. Такие системы стали относить к CAD/CAM-системам среднего уровня. Сегодня деление CAD/CAM-систем на САПР верхнего, среднего и нижнего уровней еще сохраняется, хотя и страдает очевидной нечеткостью.

Проектирование механических изделий заключается прежде всего в конструировании, т.е. в определении геометрических форм тел и их взаимного расположения. Поэтому история автоматизации проектирования в машиностроении связана с историей компьютерной графики и практически началась с создания первой графической станции. Это была станция Sketchpad с использованием дисплея и светового пера, представленная в 1963 г. И. Сазерлендом. Растровые дисплеи стали применяться в 70-е годы. И. Сазерленд в дальнейшем работал в ARPA, возглавляя в этом агентстве департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета

К 1982 г. твердотельное моделирование начинают применять в своих продуктах компании Computervision, IBM, Prime и др., однако методы получения моделей тел сложной формы еще не развиты, отсутствует поверхностное моделирование. В следующем году разработана техника создания 3D моделей с показом или удалением скрытых линий. В 1986 г. компания Autodesk выпускает свой первый CAD-продукт Autocad, пока однопользовательскую версию на языке Cи с поддержкой формата IGES. В 1988 г. создается аппаратура для прототипирования изделий с помощью лазерной стереолитографии по данным, получаемым в MCAD. Также в 1988 г. компания PTC впервые реализует параметризацию моделей.

Развитие компьютерной графики определялось не только возможностями аппаратных средств, но и характеристиками программного обеспечения. Оно должно было быть инвариантным по отношению к используемым аппаратным средствам ввода и вывода графической информации. Поэтому значительное внимание с 70-х годов уделяется вопросам стандартизации графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.

В 1977 г. ACM публикует документ Core, описывающий требования к аппаратно-независимым программным средствам. А в начале 1982 г. появляется система Graphical Kernel System (GKS), задающая примитивы, сегменты и преобразования графических данных и ставшая стандартом ISO в 1985 г. В 1987 г. разработан вариант GKS-3D с ориентацией на 3D графику.

В 1986 г. утверждается ряд новых стандартов. Среди них CGI (Computer Graphics Interface) и PHIGS P (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) - стандарт ANSI, ставший стандартом ISO в 1989 г. В 1993 году компанией Silicon Graphics предложен стандарт OpenGL (SGI Graphical Language), широко используемый в настоящее время.

В этих системах используются графические форматы для обмена данными, представляющие собой описание изображения в функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Графический формат (метафайл) обеспечивает возможность запоминать графическую информацию единым образом, передавать ее между различными системами и интерпретировать для вывода на различные устройства. Такими форматами стали CGM - Computer Graphics Metafile, PostScript - Adobe Systems' Language, GEM - GEM Draw File Format и др.

Работы по стандартизации были направлены на расширение функциональности графических языков и систем, включение в них средств описания не только данных чертежей и 3D-моделей, но и других свойств и характеристик изделий.

В области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического моделирования привела к созданию инвариантных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР. Наибольшее распространение получили два геометрических ядра Parasolid (продукт фирмы Unigraphics Solutions) и ACIS (компания Spatial Technology). Ядро Parasolid разработано в 1988 г. и в следующем году становится ядром твердотельного моделирования для CAD/CAM Unigraphics, а с 1996 г. – промышленным стандартом.

Параллельно проводились работы по стандартизации описаний геометрических моделей для обмена данными между различными системами на различных этапах жизненного цикла промышленной продукции. В 1980 г. появился формат IGES (Initial Graphics Exchange Specification), ставший на следующий год стандартом ANSI. Фирма Autodesk в своих продуктах стала использовать формат DXF (Autocad Data eXchange Format). В 1984 г. в ISO для целей стандартизации в области промышленной автоматизации создается технический комитет TC184, а внутри него для разработки стандартов обмена данными - подкомитет SC4, где и была разработана группа стандартов ISO 10303 STEP (Standard for Exchange Product Model Data), включая язык Express и прикладные протоколы AP203 и AP214.

Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются CATIA (компания Dassault Systemes), Unigraphics (Unigraphics Solution), Pro/Engineer (PTC). Продукты этих фирм доступны с 1981, 1983 и 1987 гг. соответственно. В 1998 г. в компании Крайслер с помощью CATIA демонстрируется возможность создания исчерпывающей цифровой модели автомобиля (проектирование, имитация сборки и испытаний). К числу САПР верхнего уровня в 90-е годы относились также EUCLID3 (Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision), но их развитие было прекращено в связи со слиянием компаний.

Так, в 2001 г. происходит слияние компании Unigraphics Solution с SDRC, что означало постепенное прекращение развития I-DEAS и использование удачных решений двух систем I-DEAS и Unigraphics (UG) в новых версиях системы Unigraphics NX.

Еще раньше система CADDS5 была приобретена компанией PTC (Parametric Technology Corp.). Эта компания, штаб-квартира которой расположена в США, основана в 1985 г. бывшим профессором Ленинградского университета Семёном Гейзбергом.

Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Cimatron (Cimatron Ltd.); ADEM (Omega Technology); Mastercam (CNC Software, Inc.); Powermill (DELCAM) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid относятся, в частности, Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); SolidWorks (SolidWorks Corp.); MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); Anvil Express (MCS Inc.) и др. Компания PTC в своих продуктах начинает применять разработанное ею в 2000 г. геометрическое ядро Granite One.

В 1992 году корпорация Intergraph, один из ведущих на тот момент производителей CAD-систем для машиностроения, приняла решение о разработке нового программного продукта, целиком построенного на базе платформы Wintel. В результате в конце 1995 года появилась система геометрического моделирования Solid. В 1998 году к Unigraphics перешло все отделение Intergraph, занимающееся САПР для машиностроения. В это же время Solid Edge меняет геометрическое ядро ACIS на ядро Parasolid. В 1999 году появляется 6-я версия Solid Edge на русском языке.

В 1993 г. в США создается компания Solidworks Corporation и уже через два года представляет свой первый пакет твёрдотельного параметрического моделирования Solidworks на базе геометрического ядра Parasolid. Система Solidworks вошла в число ведущих систем среднего уровня.

Ряд CAD/CAM-систем среднего и нижнего уровней разработан в СССР и России. Наибольшее распространение среди них получили Компас (компания Аскон) и T-Flex CAD (Топ Системы) и некоторые другие системы.

Компания Аскон основана в 1989 г. В нее вошел коллектив разработчиков, который до этого в Коломенском конструкторском бюро машиностроения проектировал систему Каскад. Первая версия Компас для 2D проектирования на персональных компьютерах появилась в том же 1989 г. В 2000 г. САПР Компас распространена на 3D проектирование. В 2003 г. выпущена 6-я версия Компас и PDM-система Лоцман:PLM.

Автоматизация технологической подготовки производства в системах CAM не была столь жестко привязана к аппаратным средствам машинной графики, как автоматизация конструирования в системах CAD. Среди первых работ по автоматизации проектирования технологических процессов нужно отметить создание языка APT (Automatic Programming Tools) в 1961 г. в США. Этот язык стал родоначальником многих других языков программирования для оборудования с числовым программным управлением. В СССР Г.К.Горанский создает программы для расчетов режимов резания в первой половине 60-х годов. В.Д.Цветков, Н.М.Капустин, С.П.Митрофанов и др. разрабатывают методы синтеза технологических процессов в 70-е годы.

В системах инженерных расчетов и анализа CAE центральное место занимают программы моделирования полей физических величин, прежде всего это программы анализа прочности по методу конечных элементов (МКЭ).

Метод конечных элементов разработан в 1950 г. специалистами, работающими в областях строительной механики и теории упругости. Сам термин "конечные элементы" был введен в 1960 г. Клафом (R.Clough). В 1963 г. был предложен сравнительно простой способ применения МКЭ для анализа прочности путем минимизации потенциальной энергии. Появились программно-методические комплексы для анализа и моделирования на основе МКЭ.

В 1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, ставит задачу разработки конечно-элементного программного пакета. К 1970 г. такой пакет под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и начал эксплуатироваться. Стоимость разработки, продолжавшейся 5 лет, составила 3-4 млн долларов. Одной из компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation). С 1973 г. MSC (с 1999 г. компания называется MSC.Software Corporation) самостоятельно продолжает развивать пакет MSC.NASTRAN, который стал мировым лидером в своем классе продуктов.

В 1976 г. разработан комплекс DYNA3D (позднее названный LS-DYNA), предназначенный для анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур.

К числу лидеров программ CAE можно отнести также комплекс Ansys. В 2000 г. с помощью средств многоаспектного моделирования, реализованных в Ansys, продемонстрирована возможность совместного моделирования электромагнитных, механических и тепловых процессов при проектировании микроэлектромеханических устройств.

Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams, разработанный и развиваемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.

Для проектирования систем, функционирование которых основано на взаимовлиянии процессов различной физической природы, важное значение имеет возможность многоаспектного моделирования. Теоретические основы многоаспектного моделирования на базе аналогий физических величин рассматривались Г.Ольсоном (1947 г.), В.П.Сигорским (1975 г.) и были реализованы в программах моделирования ПА6 - ПА9, разработанных в МВТУ им. Н.Э.Баумана в 70-80-е годы. Основные положения многоаспектного моделирования позднее были закреплены в стандарте, посвященном языку VHDL-AMS.

8.3. История ИПИ-технологий

Необходимость создания и использования CALS (ИПИ)-технологий была понята в процессе роста сложности проектируемых технических объектов. Работы по CALS были инициированы в оборонной промышленности США. Более конкретно возникновение CALS многие относят к периоду попыток США выполнить программу «звездных войн» - СОИ (стратегической оборонной инициативы) в середине 80-х годов.

С тех пор работы по CALS ведутся в направлениях: стандартизации языков и форматов представления, хранения и обмена данными; интегрированной логистической поддержки изделий; создания систем управления данными на всех этапах жизненного цикла изделий; развития интерактивных электронных технических руководств.

Международная организация стандартизации принимает в 1986 г. стандарт на язык разметки SGML; в 1988 г. – стандарт EDIFACT; в 1991 г. разработан проект языка Express и в 1994 г. утверждены первые стандарты STEP, задающие язык Express и методы его реализации для описания моделей изделий в разных приложениях. При создании этих стандартов были учтены более ранние разработки по функциональному и информационному моделированию процессов и приложений. Это прежде всего методика SADT, разработанная Д. Россом в 1973 г. и послужившая основой для спецификации IDEF0 в рамках выполнявшейся в США программы ICAM (Integrated Computer Aided Manufacturing). В 1999 г. первые стандарты STEP, переведенные на русский язык, становятся также стандартами России.

Большой объем данных, используемых при проектировании, необходимость поддержания их целостности (достоверности и полноты), сложность управления проектированием привели в 80-е годы к созданию в составе САПР системных сред, называемых системами управления проектными данными - PDM (Product Data Management).

Появление системных сред в САПР ознаменовало переход от использования отдельных не связанных друг с другом программ, решающих частные проектные задачи, к применению интегрированной совокупности таких программ. Роль интегрирующего компонента в 70-е гг. возлагалась на единую базу данных САПР. Однако попытки использовать имевшиеся в то время СУБД не приводили к удовлетворительным результатам в силу разнообразия типов проектных данных, распределенного и параллельного характера процессов проектирования, с одной стороны, и недостаточной развитости технологии баз данных - с другой.

Первой PDM-системой в начале 80-х годов стал продукт EDL компании CDC. В САПР электронной промышленности первые системы управления проектированием и проектными данными, называвшиеся системными средами (Framework), созданы в середине 80-х годов. Это системы Skill и Falcon Frameworks фирм Cadence Design Systems и Mentor Graphics соответственно. Тематика Frameworks оказалась в центре внимания на крупнейшей выставке 1992 г. в Калифорнии, посвященной ECAD.

Начиная с середины 90-х годов разворачиваются работы по PDM для САПР в машиностроении.

Одной из первых развитых PDM-систем становится система Optegra компании Computervision. Unigraphics Solutions (UGS) совместно с Kodak разрабатывает PDM-систему iMAN. С покупкой в январе 1998 года компании Computervision и её PDM-технологии Windchill фирма PTC вышла на рынок PDM-систем. Cистема Windchill является первой Internet-ориентированной PDM-системой. В 1999 году фирма РТС анонсирует новую технологию СРС - Collaborative Product Commerce, базирующуюся на технологии Windchill. В начале XXI века появляются PDM-системы ENOVIA и Smarteam от Dassault Systemes, Teamcenter от UGS и ряд других.

Среди российских систем PDM наиболее известными являются Party Plus (компания Лоция-Софт), PDM STEP Suite, разработанная под руководством Е.В. Судова в НПО «Прикладная логистика» в 2002 г., Лоцман:PLM в составе САПР Компас компании Аскон.

Расширение функций PDM-систем на все этапы жизненного цикла продукции превращает их в системы PLM (Product Lifecycle Management).

Технологии ИЭТР предназначены для создания электронной документации, технических публикаций и презентаций сложных изделий и представлены в ряде стандартов, принятых в AECMA (Association of European Constructors and Manufactories in Aerospace), DoD (Department of Defense - министерство обороны США) и ISO (Intrenationsl Standard Organization). Первый вариант стандарта AECMA S1000D относится к 1989 г. Он разработан на базе языка разметки SGML (ISO 8879). В первой половине 90-х появляются стандарты MIL 87268 - 87270, созданные в США. Стандарт AECMA S1000D описывает правила создания технических руководств модульной структуры. В нем содержатся данные, необходимые при эксплуатации изделий. Использование стандарта удешевляет сопровождение изделий, обеспечивает интерфейс между распределенными автоматизированными системами производителей и пользователей, облегчает адаптацию к нововведениям. Стандарт состоит из пяти глав, в которых описываются правила кодирования и индексации модулей, внесения в них изменений, применения модулей для технических публикаций (IETP), использования подмножества XML (IETP-X), а также введены унифицированные модули, типовые для технической документации (например, модули предупреждений).

Библиографический список

1. Апокин И.А., Майстров Л.Е. Развитие вычислительных машин. - М.: Наука, 1974. - 399 с.

2. Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. От абака до компьютера. – М.: Знание, 1975.

3. Малиновский Б.Н. История вычислительной техники в лицах. – Киев: фирма «Кит» ПТОО «А.С.К.», 1995.

4. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. – М.: Высш. шк., 1980.

5. Норенков И.П. Краткая история вычислительной техники и информационных технологий // Информационные технологии, 2005 г. (Приложение к № 9).

6. Открытые системы, № 12, 2001 год // Издательство «Открытые системы» (www.osp.ru)

7. Открытые системы, № 03, 1999 год // Издательство «Открытые системы» (www.osp.ru)

8. Открытые системы, № 05, 2003 год // Издательство «Открытые системы» (www.osp.ru) - http://www.osp.ru/os/2003/05/023.htm

9. Петров Ю.П. История и философия науки. Математика, вычислительная техника, информатика. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 448 с.: ил.

10. Полунов Ю. Щелкающие машины // PC WEEK/RE. 2006. № 6 (516). С. 42-45.

11. Полунов Ю. Великий почин // PC WEEK/RE. 2006. № 1 (511). С. 36-38.

12. Computerworld, № 25, 2001 год // Издательство «Открытые системы» (www.osp.ru)

13. Шилов В.В. Герман Холлерит: у истоков современных информационных технологий // Информационные технологии, 2003, № 12.

14. www.computer-museum.ru

15. www.rustrana.ru

16. www.pokolenia.ok.ru

Оглавление

[1] Введение [2] 1. ПЕРВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА [3] 1.1. Системы счисления [4] 1.2. Абак и счеты [5] 1.3. Логарифмическая линейка [6] 2. МЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ [7] 2.1. Машина Паскаля [8] 2.2. Арифметическая машина Лейбница [9] 2.3. Перфокарты Жаккара [10] 2.4. Вычислительные машины Бэббиджа (программное управление) [11] 2.5. Арифмометр Однера [12] 3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ [13] 4. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ [14] 4.3. Третье поколение ЭВМ (1965 – 1972 гг.) [15] 4.4. Четвертое поколение ЭВМ (с 1972 г.) [16] 5. РАЗВИТИЕ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ [17] 5.1. Поколения ЭВМ и автоматизация вычислительных работ [18] 5.2. Эволюция принципов построения ЭВМ [19] 5.3. Структуры ЭВМ различных поколений [20] 5.4. Особенности классической структуры ЭВМ [21] 5.5. Основные характеристики ЭВМ [22] 5.6. Архитектуры ЭВМ и микропроцессоров [23] 6. ПЕРВЫЕ УЧЕНЫЕ В ОБЛАСТИ ЭВМ И ИХ ПРОЕКТЫ [24] 6.1. Джон фон Нейман и Алан Тьюринг [25] 6.2. Атанасов, Моучли и Эккерт [26] 6.3. ЭВМ, созданные под руководством С.А. Лебедева [27] 6.4. Машины И.С. Брука и его учеников [28] 6.5. ЭВМ, созданные под руководством В.М. Глушкова [29] 7. ИСТОРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭВМ [30] 7.1. Отечественная ЭВМ «Сетунь» [31] 7.2. Первые зарубежные суперЭВМ [32] 7.3. Многопроцессорные вычислительные комплексы        «Эльбрус» [33] 7.4. Компьютеры фирмы IBM [34] 7.5. Появление персональных компьютеров [35] 7.6. Какими должны быть ЭВМ следующих поколений [36] 8. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ [37] 8.1. САПР в электронике [38] 8.2. САПР в машиностроении [39] 8.3. История ИПИ-технологий

1960 1970 1980 1990 2000 2010 годы

100 %

80 %

15-20 %

рограммное

обеспечение

Аппаратные

средства ЭВМ

Устройства ввода

ОЗУ

Устройства вывода

АЛУ

ВЗУ

УУ

Программы

и данные

Результаты

1. Витрати виробництва, дохід та прибуто
2. Сообщество молодых предпринимателей Красноярского края Совету АНО Сообщество мо
3. Ветеринарно-санитарные требования к транспортировке животных
4. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата мистецтвознавства Київ
5. Каррисона который 14 лет проработал в этих краях
6. . Понятие гражданского процессуального права его предмет и метод
7. диетические Иммунологи че ские Противомикробные Антиаллергические Применение меда Методы приме
8. ТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ КОКСОХІМІЧНИХ ПІДПРИЄМСТВ 05
9. Законам XXII таблиц отец имел право лишить жизни сынамладенца продать взрослого сына т
10. Её Величество Государыня Соль Разработали- воспитатель Вдовиченко Нина Ивановна
11.  Кнопкой РЕЖИМ установить режим ldquo;ППКrdquo;
12. тематической модели
13. На тему- СТАНОВЛЕННЯ АДВОКАТУРИ В УКРАЇНІ 1917 1921 рр
14. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Происхождение основные понятия
15. духовенство и дворянство полностью сохранили свое привилегированное положение.
16. Тема- Малювання засобами dobe Рge Mker Мета- Набути навиків макетування візитної картки Порядок виконання ро.
17. з курсу УПРАВЛІННЯ РЕСУРСАМИ ТА ВИТРАТАМИ для студентів економічних спеціальностей денної форми на
18. 062004 N 15 v001570008 від 24
19. .1. Периодизация литературы.
20. Физические свойства жидкости Текучесть Основным свойством жидкостей является текучесть

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе