.1 Информационная революция В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций ~
Работа добавлена на сайт samzan.net:
1 История вычислительной техники
1.1 Информационная революция
В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций – преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества.
Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку. Появилась возможность передачи знаний от поколения к поколениям.
Вторая (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.
Третья (конец XIx в.) обусловлена изобретением электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, позволяющие оперативно передавать и накапливать информацию в любом
объеме.
Четвертая (70-е гг. XX в.) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационные коммуникации). Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:
- переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;
- миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;
- создание программно-управляемых устройств и процессов.
Пятая, последняя информационная революция выдвигает на передний план новую отрасль — информационную индустрию, связанную с производством технических средств, методов, технологий для производства новых знаний. Важнейшая составляющая информационной индустрии — информационная технология (ИТ).
Информационный кризис - это сложный социально- экономический процесс, вызванный противоречием между объёмом информационного потока и информационным «голодом», то есть, недостаточностью возможностей доступа к информации. Подобрать количественные характеристики для описания информационного кризиса достаточно сложно.
Первый подход предложил Джеймс Мартин, известный эксперт фирмы IBM и автор книг по вычислительной технике. Суть его сводится к определению интервала времени, в течение которого общая сумма человеческих знаний удваивается. Например, к 1800 г. она удваивалась через каждые 50 лет, к 1950 г. - удваивалась через каждые 10 лет, к 1970 г. – через каждые 5 лет.
Второй подход предложил известный советский астрофизик И. Шкловский. Он показал, что Земля излучает в космос в метровом диапазоне мощность в миллион раз большую, чем 20-30 лет назад. Это излучение обусловлено работой передатчиков радио- и телевизионных станций. Таким образом, развитие цивилизации на Земле привело за последние десятилетия к увеличению на шесть порядков такого важного глобального свойства нашей планеты, как мощность ее радиоизлучения. Благодаря деятельности разумных существ, Земля по мощности своего радиоизлучения на метровом диапазоне стала на первом месте среди планет, обогнав планеты- гиганты Юпитер и Сатурн и уступая только Солнцу. При этом уровень производства энергии на Земле составляет 10^20 эрг/с (мощность падающего на Землю потока солнечного излучения 10^24 эрг/с) или 0,01% от солнечного фона.
Третий подход предложен известным популяризатором кибернетики Норбертом Винером. Он предложил провести границу во времени по равенству расходов стран на энергетику (технику сильных токов) и технику связи (слабых токов). Таким образом, можно указать по крайней мере три различных признака перехода на качественно новый этап технологического развития - век информации: первый - планетарный признак: человеческая цивилизация становится наблюдаемой в космическом пространстве (уровень радиоизлучения Земли по яркости приближается к солнечному); второй -глобальный: быстрое увеличение темпов удвоения информации; третий -государственный: расходы на информатику и технику связи превышают расходы на энергетику.
1.2 Поколения
1.2.1 Нулевое поколение — механические компьютеры (16421945)
Одним из самых первых вычислительных устройств является абак, используемый уже более 2000 лет. Абак представляет собой деревянную раму, содержащую ряд параллельных прутьев с камешками или костяшками. Существует ряд правил, согласно которым костяшки перемещаются в правую или левую сторону абака, что позволяет выполнять различные арифметические операции. (Бухгалтерские счеты, например, являются дальним родственником абака.)
В 1623 году немец Вильгельм Шикард (нем. Wilhelm Schickard) создал так называемые «Считающие часы», которые сегодня принято считать первым автоматическим калькулятором. В письмах к Иоганну Кеплеру Шикард объяснял, как можно использовать его машину для расчёта астрономических таблиц. Машина Шикарда умела складывать и вычитать шестизначные числа, оповещая звонком о переполнении. Более сложные вычисления выполнялись с помощью набора костяшек Непера, установленного на корпусе механизма.
К сожалению, оригинал машины был потерян при пожаре ещё до начала двадцатого столетия. В 1960 году на основе сохранившихся чертежей была построена копия этого вычислителя, подтвердившая его существование и работоспособность.
Вторым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль (1623- 1662), в честь которого назван один из языков программирования. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Она была механическая: с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.
Тридцать лет спустя великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646- 1716) построил другую механическую машину, которая кроме сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.
На протяжении всего XVIII в. на французских фабриках по производству шелковых тканей велись эксперименты с различными механизмами, управлявшими станком при помощи перфорационной ленты, перфорационных карт или деревянных барабанов. Во всех трех системах нить поднималась и опускал ась в соответствии с наличием или отсутствием отверстий - так создавался желаемый рисунок ткани. В 1804 г. инженер Жозеф Мари Жаккар построил полностью автоматизированный станок, способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась при помощи целой колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переходя к новому рисунку, оператор просто заменял одну колоду перфокарт другой. Станок Жаккарда вызвал настоящую революцию в ткацком производстве, а положенные в его основу принципы используются по сей день.
В 1823-м году профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж (1792- 1871), изобретатель спидометра, разработал и сконструировал разностную машину. Эта механическая машина, которая, как и машина Паскаля, могла только складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм — метод конечных разностей с использованием полиномов. Хотя это устройство работало довольно неплохо, Бэббиджу вскоре наскучиламашина, выполнявшая только один алгоритм. Он потратил очень много времени,большую часть своего семейного состояния и еще 17000 фунтов, выделенных пра-вительством, на разработку аналитической машины. У аналитической машины было 4 компонента: запоминающее устройство (память), вычислительное устрой-ство, устройство ввода (для считывания перфокарт), устройство вывода (перфоратор и печатающее устройство).
Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов, каждое из которых содержало переменные и результаты. Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, затем выполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полученный результат обратно в память. Как и разностная машина, это устройство было механическим. Преимущество аналитической машины заключалось в том, что она могла выполнять разные задачи. Она считывала команды с перфокарт и выполняла их. Некоторые команды приказывали машине взять 2 числа из памяти, перенести их в вычислительное устройство, произвести над ними операцию (например, сложить)и отправить результат обратно в запоминающее устройство. Другие команды проверяли число, а иногда совершали операцию перехода в зависимости от того, положительное оно или отрицательное. Если в считывающее устройство вводились перфокарты с другой программой, то машина выполняла другой набор операций. А разностная машина могла осуществлять только один алгоритм. Поскольку эта аналитическая машина программировалась на ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это программное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину – Аду Августу ЛовлеЙс, дочь знаменитого британского поэта Байрона.
В 1842 году итальянский учёный Манибера познакомился с аналитической машиной, пришёл в восторги сделал первое подробное описание изобретения. Статья была опубликована на французском, и именно Ада Лавлейс взялась перевести её на английский («Sketch of the Analytical Engine»). Позднее Бэббидж предложил ей снабдить текст подробными комментариями. «Аналитический двигатель Бэббиджа», – писала Ада – «ткёт алгебраические задачи точно так же, как ткацкий станок Жаккарда ткёт цветы и листья на ткани». Именно эти комментарии дают потомкам основания называть Аду Байрон первым программистом планеты. В числе прочего она сообщила Бэббиджу, что составила план операций для аналитической машины, с помощью которых можно решить уравнение Бернулли, которое выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости. В материалах Бэббиджа и комментариях Лавлейс намечены такие понятия, как подпрограмма и библиотека подпрограмм, модификация команд и индексный регистр, которые стали употребляться только в 50-х годах XX века. Сам термин «библиотека» был введён Бэббиджем, а термины «рабочая ячейка» и «цикл» предложила Ада Лавлейс. Её работы в этой области были опубликованы в 1843 году. Однако в то время считалось неприличным для женщины издавать свои сочинения под полным именем и, Лавлейс поставила на титуле только свои инициалы. Поэтому её математические труды, как и работы многих других женщин-учёных, долго пребывали в забвении. К 1890 году американцем Германом Холлеритом была разработана электрическая табулирующая система, которая использовалась в переписях населения США в 1890-м и 1900- м годах. Для ручной обработки данных переписи служащим бюро потребовались бы годы. Использование же перфорационных карт позволило сократить время табулирования примерно до шести недель. Впоследствии Холлерит основал компанию Tabulating Machine Company, которая много лет спустя стала известна как IBM.
В 1938 году немецкий инженер Конрад Цузе на квартире родителей построил свою первую машину, названную «Z1». Это была пробная модель полностью механической программируемой цифровой вычислительной машины. С детских лет Конрад проявлял интерес к конструированию. Ещё в школе он спроектировал действующую модель машины по размену монет и создавал проект города на 37 миллионов жителей. А в годы студенчества к нему впервые пришла идея создания автоматического программируемого вычислителя. После окончания Берлинской высшей технической школы он поступил на работу на авиационную фабрику Хейнкеля в городе Дессау, однако, проработав всего лишь год, уволился, вплотную занявшись созданием программируемой счётной машины. Поэкспериментировав с десятичной системой счисления, молодой инженер предпочёл ей двоичную. В 1938 появилась первая действующая разработка Цузе, названная им «Z1». Это был двоичный механический вычислитель с электрическим приводом и ограниченной возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений отображался на ламповой панели. Построенный на собственные средства и деньги друзей и смонтированный на столе в гостиной родительского дома, «Z1» работал ненадёжно из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Впрочем, будучи экспериментальной моделью, ни для каких практических целей он не использовался.
Вторая мировая война сделала невозможным общение Цузе с другими энтузиастами создания вычислительной техники в Великобритании и Соединенных Штатах Америки. В 1940 он получил поддержку Исследовательского института аэродинамики (нем. Aerodynamische Versuchsanstalt), который использовал его работу для создания управляемых ракет. Благодаря ей Цузе построил доработанную версию вычислителя — «Z2» на основе телефонных реле. В отличие от «Z1», новая машина считывала инструкции перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки.
Удовлетворённый функциональностью «Z2», в 1941 году Цузе создаёт уже более совершенную модель — «Z3», которую сегодня многие считают первым реально действовавшим программируемым компьютером. Впрочем, программируемость этого двоичного вычислителя, собранного, как и предыдущая модель, на основе телефонных реле, также была ограниченной. Машина представляла собой двоичный вычислитель с ограниченной программируемостью, выполненный на основе телефонных реле. На таких же реле было реализовано и устройство хранения данных. Их общее количество составляло около 2200. Порядок вычислений можно было выбрать заранее, однако условные переходы и циклы отсутствовали. Тактовая частота «Z3» составляла всего- навсего 5,33 Гц.
Тем не менее, «Z3» первым среди вычислительных машин Цузе получил практическое применение и использовался для проектирования крыла самолёта. Успех «Z3» определила его реализация в виде простой двоичной системы. Идея была не новой. Сама двоичная система счисления была придумана почти тремя столетиями ранее Готфридом Лейбницем. В середине XIX века Джордж Буль взял её за основу для создания алгебры логики, а в 1937 году сотрудник Массачусетского технологического института Клод Шеннон в оригинальной работе, посвящённой исследованию цифровых цепей, разработал способ реализации двоичных схем, собираемых из электронных реле. Однако, Конрад Цузе был первым, кто объединил все эти вещи, создав на их основе первую программируемую вычислительную машину «Z3».Первый проект программируемой вычислительной машины был создан в середине 1800-х годов Чарльзом Бэббиджем. В то время, он не мог быть реализован, одной из причин чего была десятичность машины и гораздо более высокая сложность, чем у двоичного «Z3» (когда в 1991 году, на основе оригинальных работ Бэббиджа была создана реконструкция его Разностной машины, — она оказалась вполне работоспособной). Знакомая Бэббиджа Ада Лавлейс была первым теоретическим программистом, пишущей программы для несуществующей машины. Конрад Цузе стал первым программистом-практиком.
Американский компьютер «Эниак» был создан на 4 года позже «Z3». Схема «Эниак» была основана на вакуумных электронных лампах, в то время как «Z3» использовал электромеханические реле. Тем не менее «Эниак» был десятичной машиной, а «Z3»: — уже двоичной. До 1948 года для перепрограммирования «Эниак» фактически нужно было перекоммутировать заново, в то время как «Z3» умел считывать программы с перфорированной ленты.
Все три машины, «Z1», «Z2» и «Z3», были уничтожены в ходе бомбёжек Берлина в 1944 году. А в следующем, 1945 году, и сама созданная Цузе компания прекратила своё существование. Чуть ранее частично законченный «Z4» был погружен на подводу и перевезён в безопасное место в баварской деревне. Именно для этого компьютера Цузе разработал первый в мире высокоуровневый язык программирования, названный им Планкалкюль (нем. Plankalkül). В переводе на русский это название соответствует выражению «планирующее _______исчисление». Планкалкюль поддерживал операции назначения, вызов подпрограмм, условные операторы, итерационные циклы, арифметику с плавающей запятой, массивы, иерархические структуры данных, утверждения, обработку исключений и многие другие вполне современные средства языков программирования. Цузе описал возможности языка Планкалкюль в отдельной брошюре. Там же он описал возможное применение языка для сортировки чисел и выполнения арифметических операций. Кроме того, Цузе составил 49 страниц программ на Планкалкюле для оценки шахматных позиций. Позже он писал, что ему было интересно проверить эффективность и универсальность Планкалкюля в отношении шахматных задач.
Работа в отрыве от других специалистов Европы и США привела к тому, что лишь незначительная часть его работы стала известной. Полностью работа Цузе была издана лишь в 1972 году. И вполне возможно, что если бы язык Планкалкюль стал известен раньше, пути развития компьютерной техники и программирования могли бы измениться. Первый компилятор для языка Планкалкюль был создан в Свободном университете Берлина лишь в 2000 году, через пять лет после смерти Конрада Цузе. Приведённый ниже пример показывает программу, которая вычисляет максимум для трёх переменных
при помощи вызова функции max:
P1 max3 (V0[:8.0],V1[:8.0],V2[:8.0]) => R0[:8.0]max(V0[:8.0],V1[:8.0])=>Z1[:8.0]max(Z1[:8.0],V2[:8.0])
=> R0[:8.0]ENDP2 max (V0[:8.0],V1[:8.0]) => R0[:8.0]V0[:8.0] => Z1[:8.0](Z1[:8.0] < V1[:8.0]) ->
V1[:8.0] => Z1[:8.0]Z1[:8.0] => R0[:8.0]
END
В 1949 году, обосновавшись в городе Хюнфельде, Цузе создаёт компанию Zuse KG. В сентябре 1950 года «Z4» был, наконец, закончен и поставлен в ETH Zürich. В то время он был единственным работающим компьютером в континентальной Европе и первым компьютером в мире, который был продан. В этом «Z4» на пять месяцев опередил Марк I и на десять UNIVAC. Цузе и его компанией были построены и другие компьютеры, название каждого из которых начиналось с заглавной буквы Z. Наиболее известны машины «Z11», продававшийся предприятиям оптической промышленности и университетам, и «Z22» — первый компьютер с памятью на магнитных носителях. За свой вклад и первые успехи в области автоматических вычислений, независимое предложение использования двоичной системы и арифметики с плавающей запятой, а также проектирование первого в Германии и одного из самых первых в мире программно- управляемых компьютеров в 1965 году Цузе получил мемориальную премию Гарри М. Гуда (англ. Harry M. Goode Memorial Award), медаль и 2000 долларов от «Computer Society». В 1985 году Цузе стал первым почётным членом немецкого «Общества информатики», а с 1987 оно начало присваивать «Медаль Конрада Цузе», ставшую сегодня известнейшей немецкой наградой в области информатики. В 1995-м за дело всей жизни Цузе был удостоен ордена «Крест за заслуги перед Федеративной Республикой Германия».
Компьютер Атанасова—Берри (Atanasoff-Berry Computer, ABC) — первое цифровое вычислительное устройство. Задуманная в 1937 году, машина не была программируемой, и разрабатывалась только в целях решения систем линейных уравнений. В 1942 году она была успешно протестирована. Устройство для хранения промежуточных результатов на основе бумажных карт было довольно ненадёжным, но работа над машиной была приостановлена из- за того что Атанасов покинул Университет штата Айова, будучи призванным на военную службу в связи со Второй мировой войной. В ABC впервые появились некоторые элементы близкие современным компьютерам, такие как двоичная арифметика и электронные переключатели, но существенным различием была особая специализация машины и неспособность к изменяемости вычислений из-за отсутствия хранимой программы.
Работа Джона Винсента Атанасова и Клиффорда Берри над вычислительной машиной долгое время не была широко известна, пока в 1960-х годах она не всплыла в ходе конфликта по поводу первого появления электронного компьютера. Было определено, что первым компьютером в современном смысле этого слова является ENIAC, однако в 1973 году Федеральный районный суд США постановил отозвать патент ENIAC и заключил что ABC является первым «компьютером».
1.2.2 Первое поколение электронные
лампы (1945 – 1955)
Во время Второй мировой войны, Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин, которые носили название «бомбы». Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом (англ. Gordon Welchman), исключала ряд вариантов путём логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную.
Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы». Машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 году. Для взлома этого кода, в обстановке секретности, была создана машина «Колосс» (Colossus). Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман (Max Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс (Tommy Flowers) и др.
«Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.
Вторая мировая война повлияла на развитие компьютерной техники и в США. Армии нужны были таблицы, которые использовались при нацеливании тяжелой артиллерии. Сотни женщин нанимались для расчетов на ручных счетных машинах и заполнения полей этих таблиц (считалось, что женщины аккуратнее в расчетах, чем мужчины). Тем не менее этот процесс требовал много времени, и часто случались ошибки.
Джон Моушли, который был знаком с работами Атанасова и Стибблитса, понимал, что армия заинтересована в счетных машинах. Он потребовал от армии финансирования работ по созданию электронного компьютера. Требование было удовлетворено в 1943 году, и Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом (J. Presper Eckert) начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и калькулятор). ENIAC состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10- разрядное десятичное число. (Десятичный регистр - это память очень маленького объема, которая может вмещать число до какого-либо определенного максимального количества разрядов, что-то вроде одометра, запоминающего километраж пройденного автомобилем пути.) В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам. Работа над машиной была закончена в 1946 году, когда она уже была не нужной - по крайней мере, для достижения первоначально поставленных целей.
Поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. В этой школе и зародился интерес к созданию больших цифровых компьютеров. Экерт и Моушли вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer - электронная дискретная параметрическая машина). К несчастью, этот проект закрылся, когда они ушли из университета, чтобы основать компьютерную корпорацию в Филадельфии (Силиконовой долины тогда еще не было). После ряда слияний эта компания превратилась в Unisys Corporation. В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из участников проекта ENIAC, Джон Фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать собственную версию EDVAC под названием IAS (Immediate Address Storage - память с прямой адресацией).
Янош Лайош Нейман родился старшим из трёх сыновей в состоятельной еврейской семье в Будапеште. Янош был необыкновенно одарённым ребёнком. Уже в 6 лет он мог разделить в уме два восьмизначных числа и беседовать с отцом на древнегреческом. Янош всегда интересовался математикой, природой чисел и логикой окружающего мира. В восемь лет он уже хорошо разбирался в математическом анализе. Фон Нейман получил степень доктора философии по математике в университете Будапешта в 23 года. Когда фон Нейман стал интересоваться вычислительными машинами, он уже был самым знаменитым математиком в мире. Фон Нейман вскоре осознал, что создание компьютеров с большим количеством переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами A включена и 9 выключены), должна быть заменена параллельной бинарной арифметикой. Между прочим, Атанасов пришел к аналогичному выводу лишь спустя несколько лет. Основной проект, который фон Нейман описал вначале, известен сейчас как фон- неймановская вычислительная машина. Он был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров. Сам замысел и машина IAS оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники, поэтому стоит кратко описать проект фон Неймана. Стоит иметь в виду, что хоть проект и связан с именем фон Неймана, в его разработке приняли деятельное участие другие ученые - в частности, Голдстайн. Архитектуру этой машины иллюстрирует рис.
Рис. Схема фон-неймановской вычислительной машины
Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифметико-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вывода. Память включала 4096 слов размером по 40 бит, бит - это 0 или 1. Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит. 8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 4096 слов. Арифметический блок и блок управления составляли "мозговой центр" компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором (ЦП). Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен держать плавающую точку в голове.
В июне 1954 г., меньше чем через год после того, как он присоединился к группе Мочли и Экерта, фон Нейман подготовил отчет на 101 странице, в котором обобщил планы работы над машиной Эдвак. Этот отчет, озаглавленный «Предварительный доклад о машине Эдвак» представлял собой прекрасное описание не только самой машины, но и ее логических свойств. Благодаря этому «Предварительный доклад» фон Неймана стал первой работой по цифровым электронным компьютерам, с которой познакомились широкие круги научной общественности. Доклад передавали из рук в руки, из лаборатории в лабораторию, из университета в университет, из одной страны в другую. Эта работа обратила на себя особое внимание, поскольку фон Нейман пользовался широкой известностью в ученом мире. С того момента компьютер был признан объектом, представлявшим научный интерес. В самом деле, и по сей день ученые иногда называют компьютер «машина фон Неймана». Читатели «Предварительного доклада» были склонны полагать, что все содержашиеся в нем идеи, в частности принципиально важное решение хранить программы в памяти компьютера, исходили от самого фон НеЙмана. Мало кто знал, что Мочли и Экерт говорили о программах, записанных _______в памяти, по крайней мере за полгода до появления фон Неймана в их рабочей группе; большинству неведомо было и то, что Алан Тьюринг, описывая свою гипотетическую универсальную машину еще в 1936 г., наделил ее внутренней памятью. (В действительности фон Нейман читал классическую работу Тьюринга и лично познакомился с ее автором, когда тот незадолго до войны посетил Принстон.)
В 1957 году фон Нейман заболел раком кости, возможно, вызванным радиоактивным облучением при исследовании атомной бомбы в Тихом океане или, может быть, при последующей работе в Лос- Аламосе, штат Нью-Мексико (его коллега, пионер ядерных исследований Энрико Ферми, умер от рака кости в 1954 году). Через несколько месяцев после постановки диагноза фон Нейман умер в тяжёлых мучениях.
1.2.3 Второе поколение — транзисторы (1955 – 1965)
Транзистор был изобретен сотрудниками лаборатории Bell Laboratories Джоном Бардином (John Bardeen), Уолтером Браттейном (Walter Brattain) и Уильямом Шокли (William Shockley), за что в 1956 году они получили Нобелевскую премию в области физики. В течение десяти лет транзисторы совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 50-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели. Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ. Он содержал слова из 16 бит, как и Whirlwind I. Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 - экспериментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования будущей машины ТХ-2. Машина ТХ-2 не имела большого значения, но один из инженеров этой лаборатории, Кеннет Ольсен (Kenneth Olsen), в 1957 году основал компанию DEC (Digital Equipment Corporation - корпорация по производству цифровой аппаратуры), чтобы производить серийную машину, сходную с ТХ-0. Эта машина, PDP-1, появилась только через четыре года главным образом потому, что те, кто финансировал DEC, считали производство компьютеров невыгодным. Поэтому компания DEC продавала в основном небольшие электронные платы. Компьютер PDP-1 появился только в 1961 году. Он имел 4096 слов по 18 бит и быстродействие 200000 команд в секунду. Этот параметр был в два раза меньше, чем у 7090, транзисторного аналога 709. PDP-1 был самым быстрым компьютером в мире в то время. PDP-1 стоил 120 000 долларов, в то время как 7090 стоил миллионы. Компания DEC продала десятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность.
Одну из первых машин модели PDP-1 отдали в МТИ, где она сразу привлекла внимание некоторых молодых исследователей, подающих большие надежды. Одним из нововведений PDP-1 был дисплей размером 512 х 512 пикселов, на котором можно было рисовать точки. Вскоре студенты МТИ составили специальную программу для PDP-1, чтобы играть в "Войну миров" - первую в мире компьютерную игру. Через несколько лет компания DEC разработала модель PDP-8, 12-разрядный компьютер. PDP-8 стоил гораздо дешевле, чем PDP-1 (16 000 долларов). Главное нововведение - единственная шина (omnibus). Шина - это набор параллельно соединенных проводов для связи компонентов компьютера. Это нововведение радикально отличало PDP-8 от IAS. Такая структура с тех пор стала использоваться во всех компьютерах. Компания DEC продала 50 000 компьютеров модели PDP-8 и стала лидером на рынке мини-компьютеров.
В 1964 году компания CDC (Control Data Corporation) выпустила машину 6600, которая работала почти на порядок быстрее, чем 7094. Этот компьютер для сложных расчетов пользовался большой популярностью, и компания CDC пошла "в гору". Секрет столь высокого быстродействия заключался в том, что внутри ЦПУ (центрального процессора) находилась _______машина с высокой степенью параллелизма. У нее было несколько функциональных устройств для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно. Для того чтобы машина быстро работала, требовалось составить хорошую программу, а приложив некоторые усилия, можно было сделать так, чтобы машина выполняла 10 команд одновременно.
Внутри машины 6600 было встроено несколько маленьких компьютеров. Центральный процессор, таким образом, производил только подсчет чисел, а остальные функции (управление работой машины, а также ввод и вывод информации) выполняли маленькие компьютеры. Некоторые принципы работы устройства 6600 используются и в современных компьютерах. Разработчик компьютера 6600 Сеймур Крей (Seymour Cray) был легендарной личностью, как и фон Нейман. Он посвятил всю свою жизнь созданию очень мощных компьютеров, которые сейчас называют суперкомпьютерами. Среди них можно назвать 6600, 7600 и Сгау-1. Сеймур Крей также является автором известного "алгоритма покупки автомобилей": вы идете в магазин, ближайший к вашему дому, показываете на машину, ближайшую к двери, и говорите: "Я беру эту". Этот алгоритм позволяет тратить минимум времени на не очень важные дела (покупку автомобилей) и позволяет большую часть времени на важные (разработку суперкомпьютеров).
1.2.4 Третье поколение интегральные
схемы (1965 – 1980)
Когда в 1968 году два руководителя процветающей компании Fairchild Semiconductor внезапно оставили свои посты, никто не предполагал, что эти события станут эпохальными. Сооснователи Fairchild Роберт Нойс (Robert Noyce) и Гордон Мур (Gordon Moore) организовали новую фирму под названием Intel. Кстати, по меньшей мере еще один из лидеров компании последовал их примеру. Директор по маркетингу Fairchild Джерри Сандерс основал фирму AMD. Началось все с того, что в 1955 году изобретатель транзистора Уильям Шокли открыл собственную фирму Shockley Semiconductor Labs в Пало-Альто (что, кроме всего прочего, послужило началом создания Кремниевой долины), куда набрал довольно много молодых исследователей. В 1959 году по ряду причин от него ушла группа в восемь инженеров, которых не устраивала работа “на дядю” и они хотели попробовать реализовать собственные идеи. “Восьмерка предателей”, как их называл Шокли, среди которых были в том числе Мур с Нойсом, основала фирму Fairchild Semiconductor. Боб Нойс занял в новой компании должность директора по исследованиям и разработкам. Позднее он утверждал, что придумал микросхему из лени – довольно бессмысленно выглядело, когда в процессе изготовления микромодулей пластины кремния сначала разрезались на отдельные транзисторы, а затем опять соединялись друг с другом в общую схему. Процесс был крайне трудоемким – все соединения паялись вручную под микроскопом! – и дорогим. Певая микросхема содержала 6 транзисторов. Между тем выяснилось, что Нойса в благородном деле создания первой микросхемы опередили. Еще летом 1958-го сотрудник Texas Instruments Джек Килби продемонстрировал возможности изготовления всех дискретных элементов, включая резисторы и даже конденсаторы, на кремнии. Планарной технологии в его распоряжении не было, поэтому он использовал так называемые меза- транзисторы. В августе он собрал работающий макет триггера, в котором отдельные изготовленные имсобственноручно элементы соединялись золотыми проволочками, а 12 сентября 1958 г. Предъявил работающую микросхему – мультивибратор с рабочей частотой 1,3 МГц. В 1960 году эти достижения демонстрировались на публике – на выставке американского Института радиоинженеров. Пресса очень холодно встретила открытие. В числе прочих отрицательных особенностей “integrated circuit” называлась… неремонтопригодность. Хотя Килби подал заявку на патент еще в феврале 1959, а Fairchild сделала это только в июле того же года, последней патент выдали раньше – в апреле 1961 г., а Килби –только в июне 1964 г. Потомбыла десятилетняя война о приоритетах, в результате которой, как говорится – случай небывалый! – победила дружба. В конечном счете, Апелляционный Суд подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы. В 2000 Килби получил за это изобретение Нобелевскую премию (среди двух других лауреатов был академик
Алферов). Нобелевские премии не присуждаются посмертно – Нойс скончался в 1990 году. В 1968, как уже упоминалось, друзья-основатели уволились из Fairchild, основав Integrated Electronics –Intel. Любопытно, что первоначально рассматривался вариант названия Moore Noyce (по типу Хьюллета-Паккарда), но это было отвергнуто: уж больно похоже на more noise – “больше шума”. 15 ноября 1971 года корпорация Intel представила свой первый микропроцессор из 2300 транзисторов, работавший с тактовой частотой 108 КГц. Гордон Мур, автор известного закона Мура и основатель фирмы Интел, признавался, что поначалу ни он, ни его сотрудники не понимали, что именно они изобрели в 1971 году. Как вспоминает тогдашний директор Intel по маркетингу, "поначалу мы относились к этому чипу лишь как к средству увеличения продаж микросхем памяти и решили вложить в него деньги, исходя именно из этой посылки". Уже в восьмидесятых годах кто-то очень точно охарактеризовал атмосферу того времени, обронив, что "микропроцессор был придуман раньше, чем возможности его применения". Даже когда один из сотрудников Мура пришел к нему в середине семидесятых с идеей "компьютера для домохозяек", то между ними произошел следующий диалог: "И кому же такое понадобится?" - спросил Мур. Сотрудник ответил: "Домохозяйкам. Они могли бы таким образом хранить кулинарные рецепты". Мур удивился: "И только-то?.." Поскольку сотрудник не нашел, что добавить, больше в фирме Intel к этому вопросу не возвращались - до самого рубежа восьмидесятых...
Но Мур в своих воспоминаниях несколько все же смещает акценты. Инженер Тед Хофф разработал 4004 для японской компании Busicom, производителя калькуляторов. Изначально Busicom заказывала набор из 12 микросхем, но Intel предложила все уместить в одну микросхему. Busicom приобрела права на микропроцессор, заплатив Intel $60.000. Но в Intel решили возвратить Busicom эти деньги, чтобы вернуть себе права на микропроцессор. Так что не так уж они и были недальновидны. i4004 обладал вычислительной мощностью, сравнимой с первым электронным компьютером ENIAC, который был создан в 1946 году и занимал пространство объемом в 85 куб. метров. Микропроцессор 4004 выполнял 60 тыс. операций в секунду. Свое первое практическое применение микропроцессор Intel 4004 нашел в таких системах, как устройства управления дорожными светофорами и анализаторы крови. Он использовался в бортовой аппаратуре межпланетного зонда Pioneer-10, который был запущен NASA в 1972 году. В 1972 году был выпущен преемник 4004 — 8- разрядный микропроцессор 8008.
IBM System/360 (S/360) — это семейство компьютеров класса мейнфреймов, которое было анонсировано 7 апреля 1964 года. Это был первый ряд компьютеров, в котором проводилось чёткое различие между архитектурой и реализацией.
В отличие от предыдущих серий, IBM создала линейку компьютеров, от малых к большим, от низкой к высокой производительности, все модели которой использовали один и тот же набор команд (с двумя исключениями из правила — для специфичных рынков). Эта особенность позволяла заказчику использовать недорогую модель, после чего обновиться до более крупной системы, с ростом компании — без необходимости переписывать программное обеспечение. Для обеспечения совместимости, IBM впервые применила технологию микрокода, который применялся во всех моделях серии кроме самых старших.
Затраты на разработку System/360 составили около 5 млрд. долларов США (что соответствует 30 млрд. в ценах 2005 г., если сравнивать с 1964), что вдвое превышало расходы США во время второй мировой войны на Манхэттенский проект. Таким образом, это был второй по стоимости проект НИОКР 1960-х годов после программы «Аполлон». Благодаря широкому распространению IBM/360 8-битные символы и 8-битный байт как минимально адресуемая ячейка памяти стали стандартом для всей компьютерной техники. Шестнадцатеричная система, широко применявшаяся в документации IBM/360, практически вытеснила ранее доминировавшую восьмеричную.
1.2.5 Четвертое поколение сверхбольшие
интегральные схемы (1980?)
Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС) в 80-х годах позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и более быстродействующих. До появления PDP-1 компьютеры были настолько велики и дороги, что компаниям и университетам приходилось иметь специальные отделы (вычислительные центры). К 80-м годам цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров. Персональные компьютеры требовались совсем для других целей, чем их предшественники. Они применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для выполнения приложений с высоким уровнем интерактивности (например, игр), с которыми большие компьютеры не справлялись. Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был разработан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak). Этот компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьезным игроком на рынке. Наблюдая за тем, чем занимаются другие компании, компания IBM, лидирующая тогда на компьютерном рынке, тоже решила заняться производством персональных компьютеров. Но вместо того, чтобы конструировать компьютер на основе отдельных компонентов IBM "с нуля", что заняло бы слишком много времени, компания предоставила одному из своих работников, Филипу Эстриджу (Philip Estridge), большую сумму денег, приказала ему отправиться куда- нибудь подальше от вмешивающихся во все бюрократов главного управления компании, находящегося в Армонке (шт. Нью-Йорк), и не возвращаться, пока не будет создан действующий персональный компьютер. Эстридж открыл предприятие достаточно далеко от главного управления компании (во Флориде), взял Intel 8088 в качестве центрального процессора и создал персональный компьютер из разнородных компонентов. Этот компьютер (IBM PC) появился в 1981 году и стал самым покупаемым компьютером в истории.
Однако компания IBM сделала одну вещь, о которой позже пожалела. Вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, компания опубликовала полные проекты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга была опубликована для того, чтобы другие компании могли производить сменные платы для IBM PC, что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью для IBM, как только проект IBM PC стал широко известен, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку все составные части компьютера можно было легко приобрести). Так началось бурное производство персональных компьютеров. Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), сходный с интерфейсом Apple Macintosh. Между тем компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на основе MS-DOS, на случай, если OS/2 не будет иметь спроса. OS/2 действительно не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft. Легенда о том, как крошечная компания Intel и еще более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всего мира.
Первоначальный успех процессора 8088 воодушевил компанию Intel на его дальнейшие усовершенствования. Особо примечательна версия 386, выпущенная в 1985 году, - это первый представитель линейки Pentium. Современные процессоры Pentium гораздо быстрее процессора 386, но с точки зрения архитектуры они просто представляют собой его более мощные версии.
В 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью 8086 и 8- разрядной 8088. Эти процессоры получили в течение всего лишь одного года около 2 500 наград за технологические новшества и достижения в сфере вычислительных систем. В 1982 году Intel представила микропроцессор 286, содержащий 134 тыс. транзисторов. По эффективности он превосходил другие 16-разрядные процессоры того времени примерно в три раза. Благодаря концепции внутрикристальной памяти он стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Этот качественно новый микропроцессор был затем использован в эпохальном компьютере PC-AT компании IBM. В 1985 году появился 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисторов и выполнял более 5 млн. операций в секунду (Million Instruction Per Second — MIPS). Компьютер DESKPRO 386 компании Compaq был первым ПК, созданным на базе нового микропроцессора. Следующим из семейства Intel стал процессор 486, появившийся в 1989 году. Этот процессор содержал уже 1,2 млн. транзисторов и первый встроенный сопроцессор. Он работал в 50 раз быстрее процессора 4004, и его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов. В 1993 году Intel представила первый процессор Pentium, производительность которого выросла в пять раз по сравнению с семейством Intel 486. Pentium содержал 3,1 млн. транзисторов и выполнял до 90 млн. операций в секунду, что примерно в 1 500 раз выше быстродействия процессора 4004. Процессор Itanium Tukwila с технологической нормой 65 нм планируется выпустить в середине 2009 года. Он будет работать с тактовой частотой 2 ГГц, содержать два встроенных контроллера памяти и вместо системной шины использовать соединение Intel QuickPath. Общее число транзисторов в этом чипе составит 2 млрд.
1.2.6 Технологические и экономические аспекты
Компьютерная промышленность двигается вперед как никакая другая. Главная движущая сила - способность производителей помещать с каждым годом все больше и больше транзисторов на микросхему. Чем больше транзисторов (крошечных электронных переключателей), тем больше объем памяти и мощнее процессоры.
Зако́н Му́ра — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel). Он высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем разрабатывались спустя более- менее одинаковые периоды (18—24 мес.) после появления их предшественников, а ёмкость их при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, — заключил Мур, — то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастёт на протяжении относительно короткого промежутка времени.
В книге «Искусство схемотехники» Хилла и Хоровица (1980 годы) приводится образное сравнение — если бы Боинг 747 прогрессировал с такой же скоростью, с какой прогрессирует твердотельная электроника, то он умещался бы в спичечном коробке и облетал бы без дозаправки земной шар 40 раз. С момента формулировки закона Мура прошло более 40 лет. Несмотря на некоторые колебания в периоде удвоения, закон Мура продолжает работать (2009 г.). В 2007 году Мур заявил — очевидно что его закон скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света. Сейчас за 1 такт 3-гц процессора свет проходит расстояние в 10 см.
2. Взаимодействие педагога и ребенка как фактор развития творческой активности дошкольника
3. Тема 7. Тестовий контроль 710
4. тема исторически сложилась в результате влияния континентальной романогерманской правовой системы где
5. заданием должен решить ряд взаимосвязанных вопросов по организации работы поточной линии по выработке пище
6. справедливого курса- а Джорджем Вашингтоном; б Гарри Трумэном; в Джон Кеннеди; г Рональд Рейган
7. И дело было не только в том что плакаты с его изображением развешанные по всему Нижнему миру в Перу были сто
8. Статья- Моделирование системы маркетинга сферы услуг.html
9. Гидра
10. Электромагнитные цепи
11. Тема-Атестація ДНЗ і педагогічних працівників
12. Сердечные аритмии Артериальные гипертензии (Интерактивное занятие Кейс-стади)
13. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата педагогічних наук Київ 200
14. Тема 4 Принципи і структура ВО України Поняття вищої освіти Вища освіта ~ це рівень освіти який з
15. Тематическая радоновая карта Москвы
16. ка нти Подготка нти на НПЗ В задачу подгки на этих этапах входит удаление из нефти примесей кые в
17. Речь Черчилля в Фултоне
18. Реферат- Task for the laboratory work
19. грязными животными поэтому вы редко где увидите щенков в рекламе
20. Ценные бумаги