Інформаційні системи і технології на підприємствах - Плескач В.Л. - Коротка історія розвитку обчислювальної техніки

Для інформатизації суспільства і бізнесу потрібні програмно-апаратні засоби, обчислювальна техніка і пристрої зв'язку. Різні технічні засоби забезпечують прийом і передачу основних видів інформації - мови, даних, зображення у статиці і динаміці - на фізичному рівні з максимальним використанням слуху та зору. Безпосередньо з людиною пов'язані відносно громіздкі пристрої, що забезпечують проходження різноманітних людино-машинних вхідних і вихідних потоків інформації (дисплеї, клавіатури, друку вальні пристрої, сканери, миші, джойстики тощо). Технічні засоби зв'язку забезпечують передачу потоків інформації до навколишнього середовища. На підприємстві залежно від масштабу і специфіки виробництва для збереження й обробки інформації можуть використовувати від одного до тисячі комп'ютерів.

Обчислювальна машина - це технічний пристрій, призначений для введення, збереження, обробки і виводу інформації.

Загальні принципи роботи обчислювальних пристроїв сформульовані фон Нейманом.

Архітектура ЕОМ

Термін "архітектура ЕОМ" використовується для опису загальних принципів дії, конфігурації основних логічних вузлів ЕОМ, а також взаємодії між ними.

Архітектура обчислювальної системи описує принципи її роботи на функціональному рівні безвідносно до фізичної реалізації. З погляду архітектури становлять інтерес лише найбільш загальні зв'язки і принципи, властиві багатьом конкретним реалізаціям обчислювальних машин. Часто говорять навіть про сімейства ЕОМ, тобто групи моделей, сумісних між собою* У межах одного сімейства основні принципи функціонування машин однакові, хоча окремі моделі можуть істотно різнитися за продуктивністю, вартістю та іншими параметрами. До архітектури належать:

o структура пам'яті ЕОМ;

o способи доступу до пам'яті і зовнішніх пристроїв;

o можливість зміни конфігурації комп'ютера;

o система команд;

o формати даних;

o організація інтерфейсу.

Коротка історія розвитку обчислювальної техніки

Сучасним комп'ютерам передували механічні й електромеханічні пристрої. Так, В. Шикард створив годинник зі спеціальними обчисленнями. Це була шестирозрядна машина, що могла складати, віднімати числа та інформувати користувача про переповнення даних дзвінком. У1642 р. французький математик Б. Паскаль сконструював десяткове колесо для рахунків, яке могло підсумовувати числа до восьми знаків.

Обчислювальні пристрої розповсюдилися у 1820 р., коли француз Ч. Кальмар винайшов арифмометр - машину, що могла робити чотири основні арифметичні дії. Завдяки своїй універсальності арифмометри використовувалися досить довго. Багато вчених і винахідників удосконалили ці пристрої. Так, у 1880 р. швед В. Однер, що жив у Росії, створив арифмометр із перемінним числом зубців, аналог якого "Фелікс" випускався у Радянському Союзі до 70-х років XX ст.

Початок ери комп'ютерів пов'язаний з ім'ям Ч. Беббіджа - англійського математика, який звернув увагу на те, що машина здатна виконувати складні математичні обчислення шляхом багаторазового повторення простих кроків. Для повторення операцій у машині Ч. Беббіджа, призначеній для вирішення диференціальних рівнянь, використовувалася енергія пари. Таким чином, процес обчислень був автоматизований, тобто проходив без участі людини. Аналітична машина Ч. Беббіджа, що складалася більше ніж з 50 000 деталей, мала всі основні компоненти сучасного комп'ютера: пристрій вводу інформації, блок управління, запам'ятовуючий пристрій і пристрій виводу результатів. Ч. Беббідж запропонував загальну структуру обчислювальної машини, де була реалізована дія умовного переходу. Аналітична машина могла виконувати певний набір інструкцій, що записувалися на перфокарти - кожній інструкції аналітичної машини відповідала певна послідовність отворів на перфокарті. У 1843 р. для машини Ч. Беббіджа А. Лавлейс (перший програміст у світі) написала першу складну програму (розрахунок чисел Бернуллі), використовуючи бінарну систему числення. Ідеї Ч. Беббіджа та А. Лавлейс випередили свій час більш як на століття і не могли бути повноцінно реалізовані у той час, проте вони вплинули на розвиток обчислювальної техніки.

Передумовою електромеханічного етапу розвитку обчислювальної техніки була необхідність великої кількості розрахунків у промисловості, економіці, військовій справі. У 1889 р. Д. Фелт винайшов перший настільний калькулятор, а американський винахідник Г. Холлерит сконструював пристрій для розв'язування статистичних задач, що застосовувався з метою обробки результатів перепису населення США. У ньому перфокарти використовувалися для збереження даних. Спеціальний електричний прилад розпізнавав отвори на перфокартах і посилав сигнали у пристрій обробки. У 1896 р. Г. Холлерит заснував компанію з виробництва перфораторів Tabulating Machine Company, яка у 1924 p. після серії об'єднань перетворилася у відому International Business Machines (IBM).

На початку 30-х років лічильно-перфораційна техніка використовувалась у Радянському Союзі для астрономічних розрахунків. У 40-х роках були створені складні релейні системи з програмним управлінням, що стали прямими попередниками електронно-обчислювальних машин (К. Цузе, Д. Атана-сов, Г. Айткен). У машині К. Цузе (1938 р.) програма записувалась на перфоровану кінострічку (подібно тому, як це було реалізовано в перших вітчизняних машинах "Урал"). Машина Z1 могла працювати з раціональними числами. Ідеї К. Цузе (наприклад, паралельне програмування) випередили час майже на півстоліття. Д. Атаиасов створив і запатентував перші електронні схеми вузлів електронно-обчислювальної машини (ЕОМ) (тригер Бонч-Бруєвича - у 1913 р.) та в 1942 р. побудував ЕОМ, що виконувала додавання і віднімання. Електронна машина Colossus була створена А. Тьюрингом у 1943 р. з функцією дешифрування. У1936 р. англійський математик А. Тьюринг та (незалежно від нього) американський математик і логік Е. Пост висунули й розробили концепцію абстрактної обчислювальної машини. Машина А. Тьюринга - гіпотетичний універсальний перетворювач дискретної інформації, що моделює обчислювальні системи. А. Тьюринг та Е. Пост показали принципову можливість вирішення будь-якої проблеми, що піддається алгоритмізації, за допомогою скінченних автоматів.

Розвиток сучасної обчислювальної техніки прийнято розглядати з погляду зміни поколінь комп'ютерів. Крім елементної бази і часу використання, враховують такі параметри, як швидкодія, архітектура, програмне забезпечення, рівень розвитку зовнішніх пристроїв. Ще одним якісним показником є галузь застосування комп'ютерів.

У розвитку ЕОМ вирізняють п'ять поколінь комп'ютерів. В основу класифікації можна покласти елементну базу, за якою будують ЕОМ (табл. 4.2).

І покоління. 1945-1955 рр. - на електронних лампах, У 1946 р. Дж. Моучлі і Дж .П. Еккерт сконструювали першу електронну обчислювальну машину ENIAC (Електронний обчислювальний інтегратор і калькулятор). В ENIAC електромеханічні реле були замінені на електронні вакуумні лампи (він містив 18 000 вакуумних ламп і 70 000 резисторів). ENIAC виявився універсальною обчислювальною машиною. Він використовувався для розрахунків у галузі атомної енергетики, прогнозів погоди, аеродинаміки тощо.

Класична архітектура ЕОМ і принципи Дж. фон Поймана. У 1945 р. американський математик Дж. фон Нейман, приєднавшись до групи розробників ENIAC, описав архітектуру майбутнього комп'ютера EDV АС. Він запропонував увести до складу комп'ютера спеціальний пристрій для збереження команд і даних - пам'ять - і реалізувати можливість передачі керування від однієї програми до іншої.

У процесі роботи зі створення першої у світі лампової ЕОМ у 1946 р. були сформульовані базові принципи побудови ЕОМ, що актуальні й нині, а саме: обґрунтування переваги використання бінарної системи для подання інформації та збереження програми як набору бітів у тій самій пам'яті, що й інформації, яку ця програма обробляє.

Загальна схема роботи обчислювальної машини може бути подана таким чином: робота виконується за заздалегідь розробленою програмою - послідовністю команд; ці команди виконуються одна за одною, поки не буде виконана остання з них; послідовність виконання команд може бути змінена за допомогою команд передачі управління.

Дж. фон Нейман також запропонував структуру ЕОМ, до основних блоків якої входять пристрій управління і арифметико-логічний пристрій, внутрішня пам'ять, зовнішня пам'ять, пристрої вводу-виводу. Пристрій управління й а риф мети ко-логічний пристрій у сучасних комп'ютерах об'єднані в один блок - процесор.

Інформація зберігається у пам'яті, яка поділяється на оперативну і зовнішню. Оперативна містить проміжні результати і дані, що безпосередньо використовуються, а зовнішня - інформацію, потрібну для подальшого використання. Зовнішні запам'ятовуючі пристрої мають набагато більшу місткість порівняно з оперативними, але з повільнішим доступом.

У 1945 р. фон Нейман підготував звіт, у якому визначив архітектуру й основні принципи роботи комп'ютера:

1. Комп'ютер складається з процесора, пам'яті і зовнішніх пристроїв.

2. Єдиним джерелом активності у комп'ютері є процесор, яким керує програма, що знаходиться в пам'яті.

3. Пам'ять комп'ютера складається з комірок, кожна з яких має свою унікальну адресу. Кожна з комірок зберігає команду програми або елемент даних.

4. У будь-який момент процесор виконує одну команду програми, адреса якої знаходиться в лічильнику команд.

5. Інформація надходить у процесор з пам'яті або від зовнішніх пристроїв. Перетворення інформації відбувається тільки в регістрах процесора.

6. Кожна команда програми містить такі розпорядження:

o з яких комірок взяти інформацію;

o які операції виконати з цією інформацією;

o в які комірки пам'яті помістити отриманий результат;

o як змінити вміст лічильника команд.

Процесор виконує команди програми відповідно до зміни вмісту лічильника команд, поки не дістане команду зупинитися.

Розроблені Дж. фон Нейманом основи архітектури ЕОМ виявилися настільки фундаментальними, що дістали в літературі назву "фон-нейманівська архітектура". У 1951 р. Д. Ек-керттаДж. Моучлі побудували UNIVAC - перший комп'ютер, у якому були реалізовані всі принципи фон-нейманівської архітектури, продавши перший екземпляр цієї машини департаменту переписів населення США. UNIVAC став першим американським комерційним комп'ютером. Він коштував мільйони доларів і міг виконувати близько 5000 операцій за одну секунду.

Переважну більшість обчислювальних машин сьогодні становлять фон-нейманівські машини. Очевидно, значне відхилення від фон-нейманівської архітектури відбудеться в результаті розвитку ідеї машин п'ятого покоління, в основі обробки інформації в яких лежать не обчислення, а логічні виведення.

Роботи зі створення обчислювальних машин виконувалися також у Радянському Союзі. Група науковців-кібернетиків під керівництвом академіка С.О. Лебедєва (Л.Н . Дашевський, К.О. Шкабара та ін.) розпочала розробку першої вітчизняної ЕОМ МЕЛМ (Мала електронна лічильна машина) у київському Інституті електротехніки АН УРСР у 1947-1948 pp. У листопаді 1950 р. запрацював макет МЕЛМ, на той час найшвидшої в Європі, а 25 грудня 1951 р. машину було прийнято в експлуатацію. Машина оперувала з 20-цифровими бінарними кодами зі швидкістю 50 операцій на секунду, мала оперативну пам'ять у 100 комірок на електронних лампах.

На початку 50-х років на МЕЛМ розв'язували задачі відомі радянські математики і механіки А.О. Дородніцин, O.A. Ля-пунов, О.Ю. Ішлінський, М.В. Келдиш, М.О. Лаврентьєв, Б.В. Гнеденко та ін. На ній працювали перші радянські програмісти М.Р. Шура-Бура, B.C. Коро люк, К.Л. Ющенко та ін.

У грудні 1957 р. на базі лабораторії обчислювальної техніки Інституту математики було створено Обчислювальний центр АН УРСР, який очолив В.М. Глушков. Від самого початку діяльність центру спрямовувалася на розвиток широкого комплексу фундаментальних і прикладних досліджень у галузі електронної обчислювальної техніки та її застосувань, на розв'язання проблем теоретичної і прикладної кібернетики, прикладної математики. Час від створення Обчислювального центру до його перетворення на Інститут кібернетики (1962 р.) був початковим періодом розвитку кібернетики та інформатики в Україні, а період створення й освоєння МЕЛМ (1948- 1953 pp.) - початковим етапом розвитку електронно-обчислювальної техніки в СРСР.

II покоління. 1956-1965 pp. - на напівпровідникових транзисторах. Транзистор був винайдений у 1947 р. співробітниками американської компанії "Белл" У. Шоклі, Дж. Барді-ним і У. Бреттейном. Порівняно з електронними вакуумними лампами транзистори, що використовували електричні властивості напівпровідників, займали у 200 разів менше місця і споживали в 100 разів менше електроенергії. Тоді з'явилися нові технології збереження інформації на основі феритових сердечників, що давало змогу значно збільшити місткість пам'яті комп'ютера при одночасному зменшенні її розмірів. У 1956 р. у Массачусетському технологічному інституті було створено перший комп'ютер, повністю побудований на транзисторах.

Машинна мова, що застосовувалася в першому поколінні комп'ютерів, була незручною для сприйняття людиною. Щоб подолати це, був розроблений асемблер - мова, в якій для кодування команд застосовувалися мнемонічні позначення, а для даних, що зберігалися в пам'яті, - імена, що відповідали їхньому змісту.

Розширення сфери застосування комп'ютерів потребувало створення мов високого рівня. Одними з перших таких мов стали Фортран (FORmula TRANslation), призначена для складних формульних обчислень, і Кобол (COmmonBussiness Oriented Language), орієнтована на обробку фінансово-економічних даних.

III покоління. 1965-1971 pp. - на інтегральних мікросхемах. Ідея інтегральної мікросхеми - кремнієвого кристала, на якому монтуються мініатюрні транзистори та інші елементи, - була запропонована в 1958 р. інженером компанії Texas

Instruments Дж. Кілбі. Він виготовив перший зразок мікросхеми, в якій на кристалі германія знаходилися п'ять транзисторів. У 1959 р. незалежно від нього Р. Нойс, який згодом заснував компанію Інтел, розробив аналогічну інтегральну мікросхему на кристалі кремнію. Мікросхеми працювали значно швидше ніж транзистори, були компактнішими і споживали набагато менше електроенергії. На основі цієї технології стали розроблятися мікросхеми, що містять сотні і тисячі елементів.

У 1964 р. компанія IBM випустила комп'ютер IBM System 360, побудований на основі інтегральних мікросхем. З випуску комп'ютерів цієї серії почалось масове виробництво обчислювальної техніки.

Паралельно з розвитком обчислювальної техніки вдосконалювалося і програмне забезпечення. У 1964 р. з'явилася мова програмування Бейсік (BASIC - Beginner's All-Purpose Symbolic Instruction Code), що дало змогу людям легко опанувати навички програмування. У 1970 р. швейцарець Н. Вірт розробив мову програмування Паскаль, спеціально призначену для навчання структурному програмуванню.

IV покоління. З 1971 р. - на мікропроцесорах. У 1969 р. компанія Intel випустила мікропроцесор - інтегральну мікросхему, на якій знаходився пристрій обробки інформації з власною системою команд. У 1971 р. був створений чотириро-зрядний мікропроцесор І4004 - основа калькуляторів, які можна програмувати. Використання мікропроцесорів значно спростило конструкцію комп'ютерів. Практично відразу на їх основі з'явилися персональні комп'ютери, характерною рисою яких стали низька ціна і невеликі розміри.

29 жовтня 1969 р. відбулося випробування першої глобальної мережі ARPANet, що об'єднувала 4 американські університети, а в 1974 р. В. Серф запропонував змінити назву ARPANet на Internet.

Засновники фірми Apple С. Джобс і С. Возняк зібрали першу модель персонального комп'ютера в 1976 р. А в 1981 р. найбільша комп'ютерна компанія IBM представила свій перший персональний комп'ютер - IBM PC. Упродовж двох років було продано більше п'яти мільйонів цих комп'ютерів. Водночас компанія Microsoft почала випуск програмного забезпечення для IBM PC.

У 1995 p. Intel випустив новий процесор Pentium Pro, що містив 5,5 млн транзисторів. Персональні комп'ютери з процесорами Pentium здатні виконувати 400 мільйонів операцій за секунду. За прогнозами, у 2012 році вони будуть здатні виконувати понад 100 мільярдів операцій за секунду.

V покоління. Швидкодія комп'ютерів з фон-нейманівською архітектурою обмежена швидкістю світла, з якою електрони рухаються усередині схем ЕОМ. Тому дослідники піддають ревізії ці принципи структури ЕОМ. Однак підходи, засновані на заміні одного чи двох принципів фон Неймана, не дали бажаних результатів. Причина невдач крилася в органічній єдності всіх трьох принципів. Найуспішнішу спробу ревізії традиційних принципів архітектури ЕОМ здійснив у середині 70-х років радянський учений-академік В.М. Глушков.

У роботах В.М. Глушкова ревізії піддавалися всі три основні принципи фон Неймана. Низький рівень машинної мови вступає в конфлікт з прагненням користувача застосовувати різноманітні і потужні засоби обробки даних. Лінійна організація пам'яті не адекватна складним типам даних, що застосовують у сучасних алгоритмічних мовах. Послідовне централізоване управління призводить до величезної кількості обмінів елементарними командами між центральним процесором і оперативною пам'яттю ЕОМ.

Академік Глушков запропонував принципи побудови машин не фон-нейманівського типу, здатних настроювати свою архітектуру на тип задач і максимально використовувати роз-паралелювання алгоритмів. Ідеї Глушкова близькі до концепції ЕОМ п'ятого покоління. Така ЕОМ макроконвеєрного типу реалізована колективом учених Інституту кібернетики АН УРСР. Макроконвеєрність означає, що алгоритм рішення задачі або класу задач розбивається на окремі незалежні блоки, що обмінюються між собою інформацією про виконання одночасно з високою швидкістю.

Зараз розвиток індустрії ЕОМ характеризується переходом до ЕОМ нового, п'ятого покоління. Цю ЕОМ можна охарактеризувати як ЕОМ з великою продуктивністю, інтелектуальністю, що наближається до людської, та здатністю вступати у взаємодію з іншими обчислювальними засобами і з людьми. Висока інтелектуальність комп'ютерів п'ятого покоління підтримується паралельним розв'язанням задач. Обчислювальні системи п'ятого покоління орієнтовані на обробку інформації про знання на основі розвинутих логічних можливостей. Лю-дино-машинний інтерфейс значно наближується до форм спілкування між людьми. Проекти ЕОМ п'ятого покоління розробляються в багатьох промислово розвинутих країнах. Найбільш знаменитим є японський проект.