Изобретение ЭВМ и ее развитие. история связи. Контрольная работа Тема 27. Изобретение эвм и её развитие План работы Введение. Появление эвм
 Скачать 60.61 Kb.
|
|
Контрольная работа Тема № 27. Изобретение ЭВМ и её развитие План работы: 1. Введение. 2. Появление ЭВМ. 3. Рождение компьютера и его развитие. 4. Зарождение и развитие отечественной вычислительной техники. 5. Заключение. 6. Список использованной литературы. 1. Введение. Проблема появления, развития и существования ЭВМ очень актуальна в настоящее время. В современном мире практически невозможно представить жизнь без компьютера. Почти все приспособления сейчас компьютеризированы. Но прежде чем мир увидел ту ЭВМ, которую мы привыкли видеть, прошли долгие годы и сменились многие её поколения. Электронно-вычислительная машина появилась не сразу, а развивалась и совершенствовалась подобно тому, как развивался и совершенствовался человек. Сейчас компьютеры есть в большинстве семей, хотя не так давно, до начала 70-х годов прошлого столетия вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось малоизвестным широкой публике. Но в 1971 году произошло событие, в связи с которым компьютер очень быстро превратился в повседневный рабочий инструмент огромного количества людей. Это произошло благодаря изобретению первого микропроцессораIntel 4004 тогда ещё почти никому не известной фирмой Intel.Именно ему мы обязаны появлением нового класса электронных вычислительных систем, которыми теперь пользуется практически каждый: от учащихся начальных классов до бухгалтеров, ученых и инженеров. И вот уже в XXI веке невозможно представить нашу жизнь без компьютера, который прочно вошёл в нашу повседневность, став главным помощником человека во всех сферах его деятельности. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, групп сложности, поколений и назначения. 2. Появление ЭВМ. С древних времён и по настоящее время человек стремился упростить свой труд. Это касается и математических вычислений. Простейшими счётными приборами человечество научилось пользоваться тысячи лет назад. Первыми приспособлениями для счёта были различные счётные палочки, чётки, абак (или счёты). Со временем сложность расчётов росла, а древние устройства для счёта не позволяли выполнять больше, чем простые арифметические действия. Значительная часть трудностей была связана с умножением и делением многозначных чисел. В связи с этим появились такие приборы как логарифмические линейки и логарифмические таблицы, а вскоре были изобретены и механические счётные устройства. Первыми арифмометрами были «Считающие часы» Вильгельма Шиккарда (1623 г.), «Паскалина» Блеза Паскаля (1642 г.), а Готфрид Вильгем Лейбниц изобрёл арифмометр Лейбница. Также примерно в 1820 году Чарльз Ксавьер Томас создал первое серийно выпускавшееся механическое счётное устройство – арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница. В 1845 году Израиль Штаффель представил счётную машину, которая кроме четырёх арифметических действий могла извлекать квадратные корни. Арифмометры, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х. К 1900 году на смену механическим счётным устройствам пришли электронные. Стали появляться такие приборы как настольные калькуляторы (первым из которых был британский ANITA Mark VII). Электронно-механические вычислительные машины массово выпускались и широко применялись с середины 1950-х годов, а в 1959 году был налажен выпуск полностью электронных вычислительных машин (ВМ). Таким образом, счётные приспособления и устройства прошли довольно долгий путь от счётных палочек до вычислительных машин, имеющих электронную основу. Развитие вычислительных устройств в конечном итоге привело к созданию сложных электронных систем. Уровень вычислительной техники поднимался всё выше и, наконец, настало время ЭВМ. «Архитектура фон Неймана» Джон фон Нейман оказал огромное влияние на развитие вычислительной техники в послевоенные годы. Фон Нейман родом из Венгрии, сын преуспевающего будапештского банкира. Он работал в Институте перспективных исследований в Принстоне. Интерес фон Неймана к вычислительным машинам связан с его участием в сверхсекретном Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. Там фон Нейман математически доказал осуществимость взрывного способа детонации атомной бомбы. Позже он работал над созданием водородной бомбы. Эти работы требовали очень сложных расчетов. Однако фон Нейман понимал, что компьютер – это нечто большее, чем простой калькулятор, что – по крайней мере, потенциально – он представляет собой универсальный инструмент для научных исследований. В июне 1945 г., меньше чем через год после того, как он присоединился к группе Дж. Мочли и Дж. Эккерта, фон Нейман подготовил отчет на 101 странице. На основе критического анализа конструкции «Эниак» он предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. Этот отчет, названный «Предварительный доклад о машине "Эдвак", представлял собой прекрасное описание не только самой машины, но и ее логических свойств. Нейман, отвлекшись от радиоламп и электрических схем, сумел описать формальную, логическую организацию компьютера. «Предварительный доклад» фон Неймана стал первой работой по цифровым вычислительным машинам, с которой познакомились широкие круги научной общественности. С того момента ЭВМ был признан объектом, представлявшим научный интерес. И по сей день компьютер называют «машиной фон Неймана». В своем докладе, опубликованном в 1945 г., Джон фон Нейман выделил и детально описал ключевые компоненты того, что сегодня называют «архитектурой фон Неймана» современного компьютера Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры: 1) арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; 2) устройство управления, организующее процесс выполнения программ; 3) запоминающее устройство или память для хранения программ и данных; 4) устройство ввода-вывода информации. Принципы фон Неймана: 1. Принцип двоичного кодирования. 2. Принцип программного управления работой электронно-вычислительной машины. Программы состоят из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. 3. Принцип однородности памяти или принцип хранимой программы. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – числа, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это позволяет создавать программы, способные в процессе вычислений изменять самих себя. 4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. 5. Принцип иерархичности запоминающих устройств. Наиболее часто используемые данные хранятся в самом быстром запоминающем устройстве сравнительно малой емкости, а более редко используемые – в самом медленном, но гораздо большей емкости. 6. Принцип параллельный организации вычислительного процесса: операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова. Принципы, сформулированные фон Нейманом, стали общепринятыми и были положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини- и микроЭВМ. Они получили название фон-неймановских принципов. Эти принципы были впервые реализованы в ЭВМ «Эдсак», введенной в эксплуатацию в Англии в 1949 г. под руководством профессора М.Уилкса и при участии выдающегося английского математика А.Тьюринга. Заслуга фон Неймана заключается в том, что он: - обобщив накопленный опыт построения цифровых вычислительных машин, сумел перейти от схемных (технических) описаний машин к их обобщенной логически ясной структуре; - сделал важный шаг от теоретически важных основ (машина Тьюринга) к практике построения реальных ЭВМ. Джон фон Нейман принимал участие в разработке нескольких вычислительных машин новейшей конструкции. Среди них была машина, которая использовалась для решения задач, связанных с созданием водородной бомбы. Фон Нейман остроумно окрестил ее «Маньяк» (МАNIАС, аббревиатура от Mathematical Analyzer, Numerior, Integrator and Computer - математический анализатор, счетчик, интегратор и компьютер). Фон Нейман был также членом Комиссии по атомной энергии (КАЭ) и председателем Консультативного комитета Военно-воздушных сил США по баллистическим ракетам. В 1954 г. была создана еще одна машина, уже без участия Неймана. В его честь она названа «Джониак» 3. Рождение компьютера и его развитие В первых десятилетиях ХХ века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счётных устройствах новых элементов – электромагнитных реле. Именно в это время и начали появляться первые электронные компьютеры, превосходящие возможностями своих механических предшественников. В отличие от арифмометров и калькуляторов, которые могли лишь складывать, вычитать и умножать, это были электронные машины, способные решать сложные задачи. В течение механического, электромеханического и в начале электронного периода развития цифровая вычислительная техника оставалась областью техники, научные основы которой только закладывались. Предпосылки возникновения электронной вычислительной техники 1. Математические предпосылки: двоичная система счисления, которую Г. В. Лейбниц предложил использовать для организации вычислительных машин, алгебра логики, разработанная Дж. Булем. 2. Алгоритмические предпосылки – абстрактная машина Тьюринга, использованная для доказательства возможности машинной реализации любого алгоритма, имеющего решение. 3. Технические предпосылки – развитие электроники. 4. Теоретические предпосылки – результаты работ К. Шеннона, соединившего электронику и логику. Электронно-вычислительные машины появились, когда возникла острая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях, как атомная физика, теория динамик полета и управления летательными аппаратами. В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития ЭВМ. Их принято делить на поколения. Поколение ЭВМ – это все типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технических принципах. Основные признаки деления ЭВМ на поколения: 1. Элементная база. 2. Быстродействие. 3. Емкость памяти. 4. Способы управления и переработки информации и др. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то обычно имеют в виду период промышленного производства. Поколения ЭВМ:
Первое поколение ЭВМ (1940-1950-е годы). Первым работающим представителем ЭВМ можно назвать машину Z1, созданную Конрадом Цузе и продемонстрированную друзьям и родственникам в 1938 году. Однако, принято считать, что первое поколение ЭВМ появилось в ходе Второй мировой войны. Это были английский Colossus (1943 г.) и американский ENIAC (1946 г.). Основным элементом всех ЭВМ первого поколения были вакуумные лампы, что создавало множество проблем при эксплуатации машин. Высота стеклянной лампы была 7 см, поэтому ЭВМ были огромных размеров. К тому же лампы очень часто выходили из строя, а так как в компьютере их были тысячи, то для поиска и замены лампы требовалось довольно много времени. Кроме того они выделяли огромное количество тепла и для эксплуатации таких ЭВМ требовались специальные системы охлаждения. Машины занимали большую площадь и использовали много электроэнергии, вместе с этим их быстродействие не превышало 23 тыс. операций в секунду, а оперативной памяти было не больше 2 Кб. Программирование работы ЭВМ первого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жёстко ориентированы на конкретную модель машины и «умирали» вместе с этими моделями. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. Все эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. В середине 1950-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращённую словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач – язык Фортран, а в 1958 году – универсальный язык программирования Алгол. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров. Основные компьютеры первого поколения: 1946 г. ENIAC (ЭНИАК) В 1946 году американцы инженер-электронщик Джон Преспер Эккерт и физик Джон Уильям Моучли по заказу военного ведомства США сконструировали в Пенсильванском университете первую электронно-вычислительную машину ENIAC (Electronic Numerical Integratorand Computer). Данное устройство предназначалось для решения задач баллистики. Оно работало в тысячу раз быстрее, чем Марк-1 (Automatic Sequence Controlled Calculator (ASCC) –автоматический вычислитель, управляемый последовательностями). ENIAC выполнял за 1 секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м в длину, объёмом 85 м3, весил 30 тонн. В данной ЭВМ использовалось около 20 тыс. электронных ламп и 1500 реле. Мощность составляла до 150 кВт. Недостатки ЭВМ ENIAC: 1. Малый объем внутренней памяти машины, которого едва хватало для хранения числовых данных, используемых в расчетах. Это означало, что программы приходилось буквально «впаивать» в сложные электронные схемы машины. 2. Трудности, возникавшие при изменении вводимых в него инструкций, т.е. программы. Программа задавалась схемой коммутации триггеров на 40 наборных полях, на каждую требовалось несколько коммутационных шнуров. На перенастройку уходили недели. 3. Использование десятичной системы счисления. 4. Структура машины напоминала механические вычислительные машины. Все это было достаточно веским аргументом, чтобы отказаться от попыток использовать ENIAC в качестве универсального компьютера. Тем не менее в 1996 г. по инициативе Пенсильванского университета многие страны мира отметили 50-летие информатики, связав это событие с 50-летием создания ЭВМ ENIAC. Для этого имелись веские основания – до «Эниака» и после него ни одна ЭВМ не оказала такого влияния на развитие цифровой вычислительной техники. В 1950 г. был произведен первый успешный численный прогноз погоды с использованием вычислительной машины ENIAC. Хотя и ENIAC, и «Colossus» работали на электронных лампах, они по существу копировали электромеханические машины: новое содержание (электроника) было внесено в старую форму (структуру доэлектронных машин). С технической точки зрения запоминающее устройство на триггерах было неэкономичным, громоздким, ненадежным и очень дорогим. Поэтому вскоре появились многочисленные и оригинальные проекты более дешевых устройств. 1949 г. EDSAC (ЭДСАК) Летом 1946 г. Дж. Моучли и Дж. Эккерт прочитали цикл лекций об ЭВМ в Высшем техническом училище. Среди слушателей оказался английский исследователь Морис Уилкс. Его заинтересовал способ хранения программ в памяти, который предполагалось использовать в машине «Эдвак». Вернувшись в Кембриджский университет, он в 1949 г. завершил создание электронно-цифрового компьютера с программами, хранимыми в памяти. Компьютер получил название «Эдсак» (ЕDSAC, от Еlectronic Delay Storage Automatic Calculator – электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки). Компьютер полностью соответствовал архитектуре фон Неймана. Работы проводились при участии А. Тьюринга. Все операции в машине выполнялись в двоичной системе счисления. Числа записывались в формате с плавающей точкой. Система команд включала 19 операций. Всего в машине было использовано 24 500 электронных ламп. По своим параметрам он был аналогичен американскому прототипу – использовал перфоленты для ввода и вывода, электронные лампы для вычислений, линии задержки на ртутных трубках для оперативной памяти, размер которой составлял 512 двоичных слов. В отличие от "Эдвак", в этой ЭВМ были созданы подпрограммы, из которых составлялись программы. Для "Эдсак" было сделано несколько десятков подпрограмм: для вычислений с плавающей запятой, работы с комплексными числами, векторами и матрицами, вычисления логарифмов, тригонометрических функций и арифметических корней произвольной степени и др. В 1951 году с помощью этого компьютера было открыто 79-значное простое число – самое большое из известных в то время. |