Лекция. Лекция №1. Пять шариков (косточек), в меньшем (небо) по два
 Скачать 2.17 Mb.
|
|
С другой стороны, механические и электромеханические вычислительные машины, предназначенные для решения сложных задач, требуют наличия огромного количества элементов для представления чисел и связей между ними, что существенно усложняет их работу. В 1936 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу "О вычислимых числах", заложив теоретические основы теории алгоритмов. Концепция Тьюринга возникла в результате проведенного им анализа действий человека, выполняющего в соответствии с заранее разработанным планом те или иные вычисления, то есть последовательные преобразования знаковых комплексов. Анализ этот, в свою очередь, был осуществлен им с целью решения проблемы поиска точного математического эквивалента для общего интуитивного представления об алгоритме. Работа Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов и во многом определила ее особенности. Рис. 1.11. Алан Тьюринг В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью – лентой. Среди состояний выделяются два – начальное и конечное. Лента разделена на клетки. В каждую клетку может быть записана любая из букв некоторого алфавита. В пустую клетку записана "пустая буква". В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ. В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым в данный момент. Шаг машины Тьюринга заключается в следующем: 1. В рассматриваемой клетке записывается символ, совпадающий со старым, или пустой. 2. Машина переходит в новое состояние, совпадающее со старым, или конечное. 3. Лента сдвигается на одну клетку или остается на месте. Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга, в зависимости от текущей комбинации неконечного состояния и воспринимаемого символа называется программой данной машины Тьюринга. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неоконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние. Тьюринг не преследовал цели изобрести компьютер. Тем не менее, описанная им абстрактная машина определила некоторые характеристики современных компьютеров. Так, например, бесконечная лента является аналогом оперативной памяти современного компьютера. 1.1.1. Поколения современных компьютеров. Выше были рассмотрена механический и электромеханический этапы в развитии средств вычислительной техники. Развитие вычислительной техники в современном периоде принято рассматривать с точки зрения смены поколений компьютеров. Каждое поколение компьютеров в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основных характеристик компьютера, вызванным обычно переходом на новую элементную базу, а также относительной стабильностью архитектурных и логических решений. Разбиение поколений компьютеров по годам весьма условно. В то время, как начиналось активное использование компьютеров одного поколения, создавались посылки для возникновения следующего. Кроме элементной базы и временного интервала используются следующие показатели развития компьютеров одного поколения: быстродействие, архитектура, программное обеспечение, уровень развития внешних устройств. Другим важным качественным показателем является широта области применения компьютеров. Первое поколение компьютеров: 1938 - 1956 годы.С началом второй мировой войны правительства разных стран начали разрабатывать вычислительные машины, осознавая их стратегическую роль в ведении войны. Увеличение финансирования в значительной степени стимулировало развитие вычислительной техники. В 1930-е годы германские ученые и инженеры разработали принципы построения электронных вычислительных машин на основе уже работавших в те времена табуляторов Холлерита и механических арифмометров. В 1940 году была запущена первая в мире электронная вычислительная машина Z1, созданная под руководством немецкого инженера Конрада Цузе, а в следующем, 1941 году – значительно усовершенствованная модель Z2, выполнявшая расчеты, необходимые при проектировании самолетов и баллистических ракет Вернера фон Брауна, а также использовавшаяся для вычисления критической массы ядерной реакции распада смеси урана 238 и 235, обогащением которой занималась германская промышленность в те годы, создавая первфй атомный реактор на уране. Рис. 1.12. Конрад Цузе и машина Z1 В 1943 году английские инженеры завершили создание вычислительной машины для дешифровки сообщений немецкой армии, названной «Колосс». Однако эти устройства не были универсальными вычислительными машинами, они предназначались для решения конкретных задач. Рис.1.13. Машина «Колосс» В 1944 году, получив данные о немецких разработках через разведку, американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный "Марк I", по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. В компьютере «Марк I» использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части. «Марк I» был довольно медленной машиной: для того чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 с. Однако, несмотря на огромные размеры и медлительность. "Марк I" управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать довольно широкий класс математических задач. Рис. 1.13. Говард Эйкен и машина «Марк I» В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Дж. Преспер Эккерт сконструировали электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК, ENIAC) - компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Применение вакуумных ламп позволило увеличить скорость работы ЭНИАК в 1000 раз по сравнению с "Марк I". ЭНИАК состоял из 18000 вакуумных ламп, 70000 резисторов, 5 миллионов соединительных спаек и потреблял 160 кВт электрической энергии, что по тем временам было достаточно для освещения большого города. ЭНИАК использовался для расчета баллистических таблиц, расчетов в области атомной энергетики (то есть повторением того, что делали немцы), аэродинамики. а) б) в) Рис. 1.14. Создатели ENIAC Джон Моучли и Джон Эккерт мл. (а, б), фрагмент ENIAC (в) Ранние вычислительные машины могли выполнять только команды, поступающие извне, причем команды выполнялись поочередно. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи. Сегодня среди несведущей толпы распространяется миф о том, что американец еврейского происхождения Янош Нейман (называющий себя "Фон Нейман") предложил включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальное устройство – память. Это опровергается реальной историей, которая свидетельствует о том, что принципы последовательной обработки данных и их хранения в «памяти» вычислительной машины были разработаны и внедрены германскими специалистами в 1930-х - 1940 году. Первая статья Джона фон Неймана, посвященная способам организации вычислительного процесса, была опубликована в 1946 году, пять лет спустя запуска германской ЭВМ Z2. В действительности архитектура ЭВМ постоянно изменялась и дополнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ, впервые разработанные и внедренные германскими инженерами, остались нетронутыми, Подавляющее большинство современных компьютеров построено именно по такой последовательной архитектуре. В 1945 году в рамках спецоперации спецслужб США были захвачены и вывезены в США сотни специалистов в области физики, химического производства, вычислительных машин, которыми были укреплены американские НИИ, КБ и производства, в том числе и фирма IBM, являвшаяся главным производителем механической вычислительной техники в США еще до начала XX века. В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, - УНИАК (универсальный автоматический компьютер). В 1952 году с помощью УНИАК был предсказан результат выборов президента США. Работы по созданию вычислительных машин велись и в СССР. Так, в 1950 году в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева была разработана и введена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина). МЭСМ стала первой отечественной универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР. В 1952-1953 годах МЭСМ оставалась самой быстродействующей (50 операций в секунду) вычислительной машиной в Европе. Принципы построения МЭСМ были разработаны С. А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе. Рис. 1.14. С.А. Лебедев и МЭСМ В компьютерах первого поколения использовался машинный язык – способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение на компьютере. Программа на машинном языке представляет собой последовательность машинных команд, допустимых для данного компьютера. Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов. Для каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров первого поколения. Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным лампам, цифровому кодированию информации, созданию устройств памяти на электростатических трубках. а) б) в) г) Рис. 1.16. Схема работы (а) и внешний вид (б) вакуумной лампы, а также создатель первой электронной лампы Джон Флеминг (в) и амер. инженер Ли де Форест, создатель вакуумной лампы с третьим электродом (г) Рис. 1.17. Трубка Уильямса и принцип ее работы Интересна история разработки запоминающих электронно-лучевых трубок Фредериком Уильямсом. Середина сороковых годов прошлого столетия. Великобритания, получившая серьёзный урок Второй мировой войны, как никто другой заинтересована в создании собственной вычислительной техники. Убедившись в действенности автоматизации вычислений в ходе решения задач расшифровки фашистских кодограмм, британское правительство не жалеет средств на финансирование отечественных исследовательских лабораторий, решающих задачи разработки цифровых вычислителей. Одним из центров британского компьютеростроения стал Манчестерский университет, кафедру электротехники в котором возглавлял Фредерик Вильямс. Неутомимый исследователь и страстный изобретатель, Вильямс начал свою карьеру в исследовательской лаборатории TRE, занимавшейся актуальнейшим в то время направлением - радиолокационными установками. В подмастерьях у Вильямса трудился молодой кембриджский математик Томас Килберн, не много поначалу смысливший в электротехнике, но компенсировавший это отличными навыками алгоритмизации вычислительных задач. Рис.1.15. Томас Килберн (слева) и Фредерик Уильямс (справа) В 1945 году Вильямс был командирован в Новый свет для изучения опыта команды лучших учёных из Массачусетского технологического института, лаборатории Bell labs и военного исследовательского агентства DARPA, которые трудились над компьютерами, обеспечивающими вычисления в реальном времени для глобальной автоматизированной системы управления противовоздушной обороной SAGE (Semi-Automated Ground Environment). Уже тогда инженер Вильямс сумел увидеть проблему, которая не покидает и нынешние поколения компьютеров: «памяти много не бывает». Разрабатывая варианты компьютеров для сил ПВО, американские инженеры столкнулись с необходимостью разработки простой и в то же время эффективной памяти с произвольной выборкой данных. И у электротехника Вильямса была идея, которая смогла их заинтересовать. Тремя годами ранее американской командировки Вильямс экспериментировал в лаборатории TRE с основой любой радиолокационной установки – электронно- лучевой трубкой (ЭЛТ). Опытный исследователь, Вильямс подметил, что пучок электронов, испускаемый пушкой трубки, попав на люминофор экрана, порождает вторичную эмиссию электронов, благодаря которой на некоторое время точка на экране приобретает положительный заряд и создаёт послесвечение. Не бог весть какое открытие – вторичную эмиссию люминофора наблюдали многие. Но только Вильямсу пришла в голову мысль после формирования точки на экране сдвинуть луч в сторону, как бы рисуя тире. Вот тут-то появился неожиданный эффект. Электроны, порождённые вторичной эмиссией, в ходе рисования тире попадали под действие положительного заряда первоначальной точки и поглощались ею. В результате в месте формирования точки заряд поверхности люминофора становился нейтральным. Итак, рассуждал Вильямс, точка - положительный заряд, тире - нейтральный. Прямо азбука Морзе! Да нет же, подсказал Вильямсу его коллега и математик Килберн, не «морзянка», а бинарная математика. Именно тогда и родилась идея создания памяти на базе электронно-лучевой трубки. Прототип нового вида ОЗУ, наскоро собранный Вильямсом, не поражал воображение. Ёмкость – всего один бит. Зато эта запоминающая система обладала всеми необходимыми компонентами для интеграции в состав вычислительных машин. Для считывания информации с экрана трубки на него крепились электроды, координаты которых совпадали с координатами электронных точек и тире. На поверхность люминофора вторично направлялся луч, который играл роль декодера. Вновь попав на точки и тире, он снова вызывал вторичную эмиссию, величина заряда которой и измерялась внешними электродами. В местах точек с положительным зарядом заряд удваивался, и в новом типе памяти он считался логически нулём. В местах тире с нейтральным зарядом вторичный заряд не удваивался, и это была логическая единица. Почему не наоборот? Спросите у англичан то же самое о левостороннем движении. Единственным недостатком простого и элегантного способа хранения информации с помощью ЭЛТ было то, что считывающий луч безвозвратно удалял хранящуюся на экране информацию. Чтобы восстановить её, требовалась повторная регенерация состояния матрицы точек и тире. Прямо как в современной оперативной памяти на основе конденсаторных ячеек. Вильямс, получив патент на изобретение и должность завкафедрой в Манчестерском университете, продолжил совершенствование своей «трубчатой» памяти, перетащив к себе для подмоги Килберна. К 1947 году им удалось увеличить ёмкость хранилища на базе одной трубки до 2048 битов, а также разработать схему каскадирования ЭЛТ в запоминающие массивы. Это была уже серьёзная заявка на коммерческое внедрение. Впервые запоминающие электронно-лучевые трубки Вильямся-Килберна были применены в британской экспериментальной вычислительной машине SSEM (Small Scale Experimental Machine), проектированием которой с воодушевлением занимался Килберн. Одноадресная SSEM, которую разработчики окрестили «Baby», имела в своем составе четыре запоминающие трубки, выполнявшие роли: оперативной памяти на тридцать два тридцатидвухразрядных слова, регистра аккумулятора, счётчика команд и собственно дисплея, на который выводился результат расчётов. Рис. 1.16. Трубки Уильямса-Килберна в действии Несмотря на свои безусловные достоинства, компьютеры первого поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду. Средства программирования и программного обеспечение еще не были развиты, использовался низкоуровневый машинный язык. Область применения компьютеров была ограничена. Однако, они доказали свою эффективность в сложное военное время, а потому проекты по созданию ЭВМ были поддержаны ведущими мировыми державами СССР, США, Англией и Францией. Второе поколение компьютеров: 1956-1963 годы. Электронные вакуумные лампы выделяли большое количество тепла, поглощали много электрической энергии, были громоздкими, дорогими и ненадежными. Как следствие, компьютеры первого поколения, построенные на вакуумных лампах, обладали низким быстродействием и невысокой надежностью. В 1947 году сотрудники американской компании Bell Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели биполярный транзистор. Транзисторы выполняли те же функции, что и электронные лампы, но использовали электрические свойства полупроводников. За свое открытие они были удостоены Нобелевской премии в 1956 году. Рис. 1.17. Изобретатели транзистора Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн По сравнению с вакуумными трубками транзисторы занимали в 200 раз меньше места и потребляли в 100 раз меньше электроэнергии. Рис. 1.18. Матрица ферритовой памяти суперкомпьютера CDC 6600 (1964 год) (размер 10,8 × 10,8 см, ёмкость 4096 бит) и принцип его работы (X, Y — провода возбуждения, S — считывания, Z — запрета) В то же время появляются новые устройства для организации памяти компьютеров - ферритовые сердечники (рис. 1.18). С изобретением транзистора и использованием новых технологий хранения данных в памяти появилась возможность значительно уменьшить размеры компьютеров, сделать их более быстрыми и надежными, а также значительно увеличить емкость памяти компьютеров. В 1954 году компания Texas Instruments объявила о начале серийного производства транзисторов, а в 1956 году ученые Массачусетского технологического института создали первый полностью построенный на транзисторах компьютер ТХ-О. Машинный язык, применявшийся в первом поколении компьютеров, был крайне неудобен для восприятия человеком. |