В начале 1833 года английский математик Чарльз Бэббидж (1791—1871) принялся за создание «Аналитической машины». Математик решил, что состоять его машина будет из нескольких различных блоков:
- устройства для ввода и вывода данных;
- «накопитель», в котором будут сохраняться промежуточные результаты;
- «мельница» для проведения вычислений;
- направляющего устройства, которое будет контролировать работу «мельницы» и других устройств.
Увлеченная математикой Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона, написала несколько программ для не существующей ёще машины Бэббиджа. Ни Чарльз, ни Ада так и не увидели своё детище в работе — «аналитическая машина» так и осталась на бумаге, в виде чертежей и набросков. И лишь в XX веке она была построена группой американских студентов — как дань памяти «отцу компьютеров».
Идеи Чарльза Бэббиджа были воплощены в жизнь молодым американским инженером Германом Холлеритом (1860—1929). Стоит, правда, заметить, что в отличии от «аналитической машины» Бэббиджа табулятор Холлерита не был универсальным устройством. Да и к «вычислителям» его можно отнести с трудом. Фактически, единственное, что умело делать устройство — прогонять через себя бумажные пластинки-карты с пробитыми в определённом порядке отверстиями и считывать с них результаты с помощью металлических игл (если игла попадала в отверстие и касалась металлической подложки, цепь замыкалась и на счётчике результатов прибавлялась единица).
Свою машину Холлерит создал специально для подсчёта результатов переписи населения США 1890 года, с его подачи вычислительное устройство было впервые применено для решения задач общенационального масштаба. Благодаря Холлериту вычислитель впервые работал не просто с цифрами, а с закодированными данными, так как на перфокартах кодировались статистические данные: состав семьи, вероисповедание, пол опрашиваемых… Если на подсчёт в 1880-м году потратили восемь лет, то в 1890, благодаря табулятору, у бюро ушёл на это один год. В течение последующих лет его изобретение использовали для проведения переписей в нескольких странах, включая Австрию, Канаду, Италию, Францию и Россию.
В 1896 году Холлерит открывает компанию по производству и продаже вычислительных устройств Tabulating Maxhine Company. В 1911 году американский бизнесмен Чарльз Рэнлетт Флинт купил TMC и объединил её с двумя компаниями: Computing Scale Company, производившую весы; International Time Recording Company, производившую системы учёта рабочего времени. Объединенная компания получила название Computing Tabulating Recording, которая в 1924 году поменяла название на новое Internatioal Business Machines. Сокращённо — IBM.
В 1938 году немецкий инженер Конрад Цузе (1910—1995) создал вычислитель нового поколения, названный им Z1. Это был двоичный механический вычислитель с электрическим приводом и ограниченной возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений в десятичной системе отображался на ламповой панели.
В 1940 году Цузе получил поддержку Исследовательского института аэродинамики. В институте Цузе построил доработанную версию вычислителя — Z2 на основе телефонных реле. В отличие от Z1, новая машина считывала инструкции с перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки.
В 1941 году Цузе создал уже более совершенную модель — Z3, которую сегодня многие считают первым, реально действовавшим программируемым компьютером. Z3 первым среди вычислительных машин Цузе получил практическое применение и использовался для проектирования крыла самолёта.
Машина Цузе состояла из нескольких блоков:
- управляющее устройство;
- вычислительный блок;
- память;
- устройства ввода-вывода.
Скорость вычислителя Z3 была невелика — она составила 5,3 Гц. Зато вычислитель Цузе мог понимать простейшие программы, вводимые с перфоленты, а его основой были реле (600 для арифметического устройства, 1400 для памяти и 400 для блока управления).
В 1946 году Цузе организовал коммерческую компанию по производству компьютеров «Инженерная служба Цузе в Хопферау». Венчурный капитал был получен от Швейцарской высшей технической школы и компании IBM. Ещё через три года, в 1949 году, обосновавшись в городе Хюнфельде, Цузе создал компанию Zuse KG.
В сентябре 1950 года был закончен Z4, именно для этого компьютера Цузе разработал первый в мире высокоуровневый язык программирования, названный им Планкалкюль (Plankalkül — «исчисление планов»).
Цузе и его компанией были построены 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.
Кроме вычислительных машин общего назначения, Цузе построил несколько специализированных вычислителей. Так, вычислители S1 и S2 использовались для определения точных размеров деталей в авиационной технике. Машина S2, помимо вычислителя, включала ещё и измерительные устройства для выполнения обмеров самолетов. Компьютер L1, так и оставшийся в виде экспериментального образца, предназначался Цузе для решения логических проблем.
В 1967 году фирма Zuse KG была продана компании Siemens AG. Тем не менее, Цузе продолжал проводить исследования в области компьютеров и работал специалистом-консультантом Siemens AG. После ухода на пенсию Цузе занялся своим любимым хобби — живописью.
В 1943 году Говрадом Эйкеном был создан вычислитель Mark I. Вычислитель применялся для расчета баллистических таблиц для артиллерии США.
ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator)
Первым компьютером с возможностью перепрограммирования в истории суждено было стать ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator), сердцем которой стали электронные лампы. Этот компьютер мог работать без перерыва около 20 часов: лампы то и дело перегорали, а выход из строя одной из них означал остановку всей машины. Первый представитель первого поколения ЭВМ был создан группой учёных и инженеров во главе с Джоном Преспером Эккертом и Джоном Уильямом Мокли в Институте Мура при Пенсильванском университете. Компьютер полностью был готов к осени 1945 года.
Будучи сверхсекретным проектом Армии США, компьютер был представлен публике и прессе лишь много месяцев спустя после окончания войны — 14 февраля 1946 года. Именно поэтому принято праздновать день компьютерщика 14 февраля. Через несколько месяцев — 9 ноября 1946 года — ENIAC был разобран и перевезён из Университета Пенсильвании в г. Абердин в Лабораторию баллистических исследований Армии США, где с 29 июля 1947 года он успешно проработал ещё много лет и был окончательно выключен 2 октября 1955 года.
Всего комплекс включал в себя 17 468 ламп 16 различных типов, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70 000 резисторов и 10 000 конденсаторов. Потребляемая мощность — 174 кВт. Это было громадное сооружение: расположенная П-образно машина весила около 30 т, имела примерно 2,4 м в высоту, 30,5 м в длину и 0,9 м в глубину и занимала зал площадью 167 кв. м.
Такой огромный масштаб накладывал ограничения на скорость работы: выход из строя одной детали означал остановку работы всей машины и необходимость замены.
Всего существовало 1,8 миллиарда вариантов отказа в каждую секунду — до этого человечество не создавало ни один прибор такой сложности и с таким требованием к надёжности.
Объём памяти — 20 число-слов.
Вычислительная мощность — 357 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду.
Тактовая частота — 100 кГц, то есть один импульс каждые 10 микросекунд. Основной вычислительный такт состоял из 20 импульсов и занимал 200 микросекунд. Сложение выполнялось за 1 такт, умножение — за 14 тактов (умножение заменялось многократным сложением, так что 1 умножение равнялось 14 операциям сложения и выполнялось, таким образом, за 2800 микросекунд).
Устройство ввода-вывода данных — табулятор перфокарт компании IBM: 125 карт/минуту на ввод, 100 карт/минуту на вывод.
Вычисления производились в десятичной системе. Компьютер оперировал числами максимальной длиной в 20 разрядов.
ENIAC: процесс программирования
Резюме
ENIAC нельзя было назвать совершенным компьютером. Машина создавалась в военное время в большой спешке с нуля при отсутствии какого-либо предыдущего опыта создания подобных устройств.
На его создание ушло 200 000 человеко-часов и 500 000 долларов США. ENIAC был построен в единственном экземпляре, и инженерные решения, реализованные в ENIAC, не использовались в последующих конструкциях компьютеров. ENIAC — скорей компьютер не первого, а «нулевого» поколения.
Значение ENIAC заключается просто в его существовании, которое доказало возможность построения полностью электронного компьютера, способного работать достаточно продолжительное время, чтобы оправдать затраты на его постройку и принести ощутимые результаты.
Подробнее о первой ЭВМ можно узнать из видео:
EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)
Как и ENIAC, EDVAC был разработан в Институте Мура Пенсильванского Университета для Лаборатории баллистических исследований Армии США командой учёных и инженеров во главе с Джоном Преспером Эккертом и Джоном Уильямом Мокли при активной помощи математиков Джон фон Неймана, Германа Голдстайна и Гарри Хаски.
Проектирование EDVAC началось весной 1944 года ещё до того, как была завершена работа над ENIAC. В сентябре 1944 года к команде в качестве научного консультанта присоединился Джон фон Нейман. Фон Нейман понял, какие принципиальные недостатки имеются у ENIAC, и поддержал идею Экерта и Мокли о создании второй, более совершенной машины.
В марте 1945 года принципы логической архитектуры были оформлены в документе, который назывался «Первый проект отчёта о EDVAC» — отчёт для Баллистической лаборатории Армии США. Герман Голдстайн — куратор проекта со стороны Армии США — размножил эту научную работу и разослал её широкому кругу учёных для ознакомления. Документ давал достаточно информации для того, чтобы читавшие его могли построить свои компьютеры, подобные EDVAC на тех же принципах и с той же архитектурой, которая в результате стала называться «архитектурой фон Неймана».
«Компьютер фон Неймана» включает в себя следующие устройства:
- Процессор, состоящий из АЛУ (арифметическое логическое устройство), через которое проходит поток данных, и БУ (блок управления), через которое проходит поток команд;
- оперативная память, в которой хранятся в единой цифровой форме и команды, и данные;
- устройства вода-вывода.
22 марта 1946 года Мокли и Эккерт покинули Институт Мура из-за споров с Пенсильванским университетом и Армией США по поводу патентов на компьютеры ENIAC и EDVAC. В том же году проект покинул Джон фон Нейман.
Уход ведущих инженеров и учёных из проекта EDVAC привел к тому, что работы над EDVAC затянулись на 3 года. В результате первой машиной, реализовавшей «архитектуру фон Неймана», стал в мае 1949 года британский компьютер EDSAC.
EDVAC был поставлен Баллистической Лаборатории в августе 1949 года. После устранения неисправностей компьютер окончательно заработал в 1951 году и проработал до 1961 года, когда он был заменён на более совершенную машину BRLESC.
Компьютер EDVAC состоял из 3563 электровакуумных ламп 19 различных типов, 8000 диодов, примерно 5500 конденсаторов, 12000 резисторов и потреблял 50 кВт энергии. Занимаемая площадь — 45,5 м², масса — 7850 кг. Полный состав обслуживающего персонала — 30 человек на каждую 8-часовую смену. Компьютер использовал двоичную систему счисления, располагал встроенными операциями сложения, вычитания и умножения, а также программной реализацией деления; объём памяти составлял 1000 44-разрядных слов (позже дополнен до 1024 слов, что даёт 5,5 килобайт в современной терминологии). Формат команды: четырёхадресный - два адреса источников, адрес записи результата и адрес следующей команды. Время операции сложения — 864 микросекунды, умножения — 2900 микросекунд (2,9 миллисекунды).
EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator)
EDSAC — электронная вычислительная машина, созданная в 1949 году в Кембриджском университете командой учёных и инженеров во главе с Морисом Уилксом. Первый в мире действующий компьютер с хранимой в памяти программой. Архитектура компьютера наследовала архитектуру американского EDVAC. Компьютер был представлен мировой общественности в июне 1949 года.
Компьютер состоял из примерно 3000 электронных ламп. Основная память компьютера состояла из 32 ртутных ультразвуковых линий задержки (РУЛЗ), каждая из которых хранила 32 слова по 17 бит, включая бит знака — всего это даёт 1024 ячеек памяти. Была возможность включить дополнительные линии задержки, что позволяло работать со словами в 35 двоичных разрядов (включая бит знака). Вычисления производились в двоичной системе со скоростью от 100 до 15 000 операций в секунду. Потребляемая мощность — 12 кВт, занимаемая площадь — 20 м².
МЭСМ (Малая электронная счётная машина)
МЭСМ — одна из первых в СССР и континентальной Европе электронно-вычислительных машин. МЭСМ была создана в 1950 г. группой ученых и инженеров под руководством С.А. Лебедева в Киевском институте электротехники. Эксплуатировалась до 1957 года, после чего была передана в Киевский Политехнический институт для учебных целей.
Характеристики МЭСМ
- арифметическое устройство: универсальное, параллельного действия, на триггерных ячейках;
- представление чисел: двоичное, с фиксированной запятой, 16 двоичных разрядов на число, плюс один разряд на знак;
- система команд: трёхадресная, 20 двоичных разрядов на команду. Первые 4 разряда — код операции, следующие 5 — адрес первого операнда, ещё 5 — адрес второго операнда, и последние 6 — адрес для результата операции. В некоторых случаях (в командах сравнения или, что то же самое — условного перехода) третий адрес использовался в качестве адреса следующей команды;
- Операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учётом знака (как часть команды условного перехода), сравнение по абсолютной величине (как часть команды условного перехода), передача управления (безусловный переход), передача чисел с магнитного барабана и обратно, команда сложения команд (для работы с элементами массивов), остановка;
- оперативная память: на триггерных ячейках, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды;
- постоянная память: штекерная, для данных — на 31 число, для команд — на 63 команды;
- тактовая частота: 5 кГц;
- быстродействие: 3000 операций в минуту (полное время одного цикла составляет 17,6 мс; операция деления занимает от 17,6 до 20,8 мс);
- количество электровакуумных ламп: 6000 (около 3500 триодов и 2500 диодов);
- занимаемая площадь: 60 м²;
- потребляемая мощность: около 25 кВт.
БЭСМ (Большая электронная счётная машина)
БЭСМ — серия советских электронных вычислительных машин общего назначения, разработанных Институтом точной механики и вычислительной техники АН СССР (ИТМ и ВТ) и предназначенных для решения широкого круга задач. Главный конструктор — Сергей Алексеевич Лебедев.
Разработка первой БЭСМ была завершена осенью 1952 года. Построена на электронных лампах (5000 ламп), потребляемая мощность — около 35 кВт. Быстродействие — 8–10 тыс. оп./с. Система представления чисел в машине — двоичная с учётом порядков, то есть в форме чисел с плавающей запятой. Количество разрядов для кода числа — 39. Цифровая часть числа — 32 разряда; знак числа — 1; порядок числа — 5 разрядов; знак порядка — 1 разряд. Диапазон чисел, с которыми оперирует машина, примерно от 10−9 до 10+9. Точность вычислений примерно 9 десятичных знаков.
Система команд — трёхадресная. Количество разрядов для кода команды — 39. Код операции — 6 разрядов; коды адресов — 3 указателя по 11 разрядов каждый, что позволяло адресовать 2048 ячеек памяти для операндов и результата. Регистры общего назначения отсутствуют.
Машина имела параллельное 39-разрядное АЛУ с плавающей запятой. В систему команд машины входят 9 арифметических операций, 8 операций передач кодов, 6 логических операций, 9 операций управления.
Машина имеет общее поле памяти для команд и данных (Архитектура фон Неймана) — 2047 39-разрядных ячеек (ячейка с номером 0 всегда возвращает машинный нуль). Специальный бит в поле кода команд позволял отключить нормализацию с плавающей точкой и выполнять адресную арифметику. При написании программ для БЭСМ широко применялась техника самомодифицирующегося кода, когда напрямую модифицировалась адресные части команд для доступа к массивам.
Внешняя память — на магнитных барабанах (2 барабана по 5120 слов) и магнитных лентах (4 по 30 000 слов). Скорость обмена с барабаном — 800 чисел в секунду. Скорость записи-считывания с ленты после позиционирования — 400 чисел в секунду. Первоначальный ввод программы и исходных данных осуществляется с перфоленты со скоростью 20 кодов в секунду. Печать результата осуществляется на бумагу со скоростью до 20 чисел в секунду.
TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer)
TRADIC — полностью транзисторный компьютер созданный фирмой Bell Laboratories для ВВС США в 1954 году. Компьютер содержал 800 транзисторов и 10000 диодов, он мог выполнять 1 000 000 логических операций в секунду, но самым главным его достоинством было низкое энергопотребление — 100 Ватт и и гораздо более высокая безотказность работы, чем у его ламповых предшественников. TRADIC имел достаточно малые размеры и вес для установки на стратегических бомбардировщиках B-52 Stratofortress. TRADIC был разработан командой инженеров возглавляемой Джином Говардом Фелкером.
PDP-1 (Programmed Data Processor-1)
В 1960 году компания DEC (Digital Equipment Corporation) выпустила "мини"-компьютер PDP-1, умещавшийся в углу комнаты.
PDP-1 имел 18-битное машинное слово и 4 килослова основной памяти (эквивалентно 9 КБ) с возможностью расширения до 64 килослов (144 КБ). Цикл перемагничивания памяти на ферритовых элементах занимал 5 микросекунд (примерно соответствует тактовой частоте 200 КГц); соответственно, большинство арифметических операций занимало 10 микросекунд (100 000 операций в секунду), потому что они имели два обращения к памяти: одно для инструкции, другое - для операндов.
Компьютеры третьего поколения
В 1958 году сотрудник компании Texas Instruments Джек Килби придумал элементы объединяющие множество транзисторов - интегральные микросхемы. Первая из них содержала всего пять транзисторов.
Появление интегральных микросхем породило новый вид вычислительных машин — компьютеры третьего поколения, способных выполнять 300 млн операций в секунду. Для них были созданы первые операционные системы.
IBM System/360
IBM System/360 — семейство компьютеров класса мэйнфреймов, год выпуска — 1964. Это был первый ряд компьютеров, в котором проводилось чёткое различие между архитектурой и реализацией.
Для компьютеров этой серии выпускалось около 40 периферийных устройств, при этом впервые все модификации компьютеров и устройства были полностью совместимы между собой.
Все модели семейства использовали один и тот же набор команд, это давало возможность не переписывать программное обеспечение.
Дальнейшим развитием IBM/360 стали системы 370, 390 и System z. Архитектура IBM/360 была настолько удачной, что стала де-факто промышленным стандартом вплоть до сегодняшнего дня. Многие другие фирмы стали выпускать совместимые с IBM/360 компьютеры, например, — семейство 470 фирмы Amdahl (англ.), мэйнфреймы Hitachi, UNIVAC 9200/9300/9400 и др. В СССР аналогом IBM/360 были машины серии ЕС ЭВМ.
Википедия
Благодаря широкому распространению IBM/360 принятые в ней 8-битные символы и 8-битный байт как минимально адресуемая ячейка памяти стали стандартом для всей компьютерной техники. Также IBM/360 была первой 32-разрядной компьютерной системой.
Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью и первыми серийными компьютерами, поддерживающими реализацию виртуальных машин.
В семействе IBM/360 впервые был использован микрокод для реализации отдельных команд процессора
Компьютеры четвертого поколения
В 1971 году компания Intel представила новую разработку: микропроцессор — устройство, объединившее на одном кристалле более двух тысяч транзисторов! С появлением микропроцессоров родилось и новое поколение компьютеров — четвертое поколение — то самое, с которым мы и работаем сегодня. В первом микропроцессорном чипе Intel 4004 содержалось 2300 транзисторов, а в чипе Core 2 Duo их около 300 млн, размер одного транзистора в современном процессоре не превышает 65 нанометров. Надо заметить, что какими бы не были компьютеры, все они устроены по одному и тому же принципу.
История персональных компьютеров
Три отправные точки в истории персональных компьютеров:
-
1975 — Появление первого мини-компьютера Altair, на базе микропроцессора Intel 8080 (1974 г.), его создатель, Э́двард Робертс (1941—2010), предполагал, что ему удастся продать всего пару-тройку сотен машин, да и то только энтузиастам. Однако в первый же месяц было реализовано несколько тысяч компьютеров.
Altair 8800 по праву считается первой искрой, из которой разгорелся пожар микрокомпьютерной революции. Компьютерная шина, разработанная для Altair, де-факто задала стандарт целой отрасли. Altair BASIC, первый язык программирования для этой машины, был разработан студентом Гарвардского университета Билл Гейтсом и его другом Полом Алленом. В марте 1975 года они связались с Робертсом и предложили ему купить их собственный интерпретатор языка BASIC, а в июле 1975 года высокоуровневый интерпретатор языка BASIC стал доступен для пользователей Altair. Язык BASIC стал киллер-фичей Altair’ов, по сравнению с прочими компьютерами на базе Intel 8080: он, в отличие от традиционного в то время языка ассемблера, был гораздо проще в освоении и понижал порог входа для новичков.
В 1977 году Робертс поступил в медицинский институт, продав свою компанию MITS за 6 млн. долларов Pertec Computer Corp. Всю оставшуюся жизнь Робертс проработал сельским врачом в Кокране, штат Джорджия.
Пока настольные, а за тем и переносные персональные компьютеры получали все большее распространение, миниатюризация вычислительных машин продолжалось во все возрастающей степени. Сегодня крошечные компьютеры непосредственно встраиваются в широчайший спектр электронных устройств. Например, автомобиль может содержать десятки маленьких компьютеров, контролирующих работу двигателя, аудиосистемы и службы GPS (Global Positioning Systems — глобальная система позиционирования), и даже обеспечивающих обработку голосовых команд для управления сервисными устройствами автомобиля.
Вероятно, появление смартфонов оказало на глобальное сообщество даже большее влияние, чем революция вызванная появлением настольных персональных компьютеров.
Современные смартфоны более мощные, чем суперкомпьютеры предыдущих десятилетий, оборудованы множеством датчиков и интерфейсов, включая сенсорные экраны, фото- и видеокамеры, микрофоны, компасы, акселерометры, датчики GPS, а также поддерживающие разнообразные беспроводные технологии, обеспечивающие возможность коммуникации с другими смартфонами и компьютерами, в которых собственно телефония является одним из множества доступных приложений.
Вот так, потихоньку, и проникал компьютер в жизнь мирового сообщества, постепенно эволюционировав от огромных устройств (ENIAC, 1946) до компактных бытовых приборов, например, голосовой приставки от компании Яндекс.