Історичний розвиток обчислювальних машин
Однією з важливих сторін практичної діяльності завжди були обчислення. Вони можуть бути виконані усно, письмово, в інструментальній формі та пройшли довгий шлях розвитку: від рахунку на пальцях до сучасних комп'ютерів.
Стародавні пристрої для рахункуБагато тисяч років тому древні люди робили рахунок за допомогою зарубок на дерев'яних поверхнях і мотузкових вузликів.
Найраніші згадки про обчислювальні пристрої зустрічаються в давньогрецьких рукописах. Перший обчислювальний пристрій - давньогрецький абак або «саламінська дошка» був посипану морським піском дощечку з камінчиками. У Стародавньому Римі абак називався calculi або abaculi і виготовлявся з бронзи, каменю, слонової кістки та кольорового скла. Слово calculus означає "галька", "голиш".
Пізніше з'явилися рахунки. Китайські рахунки суан-пан складалися з дерев'яної рамки, розділеної на верхні та нижні секції.
На Русі з XV століття набув поширення "дощаний рахунок". "Дощаний рахунок" був рамкою з укріпленими горизонтальними мотузочками, на які були нанизані просвердлені сливові або вишневі кісточки.
Перші креслення підсумовуючої машини, що дійшли до нас, належать німецькому вченому Вільгельму Шикарду. Її називали «годинник для рахунку».
Трохи пізніше, у 1642 році, Блез Паскаль, йому було на той час 19 років, запропонував конструкцію арифмометра, який умів лише складати та віднімати числа. Приводом для винаходу арифмометра була участь Паскаля у стомлюючих фінансових розрахунках, які за дорученням уряду виконував батько. 
У арифмометрі Паскаля число кодувалося положенням коліщатка з 10 зубцями. Коліщатко одиниць було пов'язане з коліском десятків, коліщатко десятків з коліском сотень і т.д. Цей пристрій обробляв шестицифрові числа.
Через 52 роки німецький учений Вільгельм фон Лейбніц продемонстрував механічний помножувач, що імітує механічний шкільний алгоритм «множення у стовпчик». Ця механічна машина вже могла виконувати і поділ. Виготовлялася вона з дев'яти циліндрів із зубчиками.
Рахункова машина на паровому двигуні
У 1833 році англійський математик Чарльз Бебідж, декан кафедри математики Кембриджського університету, тієї кафедри, яку колись очолював Ньютон, розробив проект обчислювальної машини, в основі якого лежав принцип програмного управління. Він назвав її "Аналітичною машиною". Вона мала приводитися в дію силою пари.
Тоді французькі вчені застосували цікавий спосіб обчислень, що дав хороші результати. Велике завдання розбивалася на невеликі частини, що складаються лише з простих операцій, і доручалося величезній кількості людей, які нічого не знають у математиці, крім арифметичних операцій.
Беббідж вирішив пристосувати машини для таких операцій. В 1822 він опублікував статтю з описом машини для обчислення і друку таблиць математичних функцій і в тому ж році побудував робочу модель, що заслужила захоплений прийом Лондонського Королівського Товариства.
Беббідж отримав від уряду невелику початкову субсидію і розпочав будівництво повноцінної робочої машини. На жаль, завдання виявилося складнішим, ніж очікувалося. У конструкцію машини доводилося вносити виправлення та удосконалення, робота затягувалася. Коштів постійно не вистачало, за кілька років фінансування припинилося зовсім, і роботи зупинилися. Але ці 10 років не зникли задарма. Бэббидж дійшов дивовижної ідеї зовсім нової універсальної машини - прообразу сучасних обчислювальних машин.
У проекті Беббіджа були передбачені всі основні елементи, властиві сучасним комп'ютерам:
-склад
для зберігання чисел (пам'ять);
-фабрика
для їх обробки (арифметичний пристрій);
-контора
для керування обробкою (процесор).
То справді був геніальний проект, але практична реалізація ідеї було неможливою, т.к. вона випереджала технічні можливостісвого віку. Беббідж помер, встигши побудувати лише окремі частини універсальної машини. Конструкція машини була працездатною, але її неможливо було реалізувати в повному обсязі, користуючись технологіями того часу.
Дочка поета Байрона - математик Ада Лавлейс переконала Беббіджа в необхідності використати обчислювальних машинахдвійкової системи числення замість десяткової.
Це цікаво!
Перфокарти використовувалися раніше в ткацьких верстатах як те, щоб змусити працювати верстати за програмою, заданої розташуванням отворів. Певна картка відповідала певному малюнку на плетінні тканини. Перший автоматичний ткацький верстат був винайдений у 1804-1808 роках у Франції. Перфокарти зробили переворот у ткацькому справі, а й у статистиці. Сталося це наприкінці 19 століття.
Статистика постійно стикається з проблемами обробки величезної кількості інформації. Коли сина німецьких емігрантів Германа Холлерита прийняли на роботу до статистичного управління при міністерстві внутрішніх справ США, він також зіткнувся з необхідністю ручної обробки гір паперу - результатів перепису населення США у 1890 році. Холлеріт створив машину, яка механічно виконувала роботу численних клерків. Називалася вона «Рахункова аналітична машина». До впровадження цієї машини результати перепису населення опрацьовувалися протягом восьми років (вручну)! А за допомогою машини Холлеріта – менше трьох років!
Одна перфокарта використовувалася для внесення відомостей про одну людину. Наприклад, отвір, пробитий у третій колонці і четвертому рядку, міг означати, що людина перебуває у шлюбі. Аналогічно та інші отвори могли означати стать, кількість членів сім'ї, освіту тощо. Всі ці дані потім прораховували машиною. Коли карта пропускалася через неї, то промацувалася системою голок. Якщо голка проходила через отвір, то торкалася металевої поверхні під картою. Цей контакт замикав електричне коло, і до результатів розрахунків додавалася одиниця.
Розвинені Холеритом технології зберігання інформації на перфокартах і винайдені ним електромеханічні машини для обробки такої інформації просунуло Людство ще на один крок до комп'ютерної революції 20 століття. До речі, заснована Холлерітом фірма сьогодні має назву IBM і є найбільшим у світі виробником комп'ютерів.
Електромеханічні обчислювальні машини
Початок комп'ютерної революції дають перші ЕОМ, створені в 30-ті роки незалежно один від одного американським фізиком Дж. Атанасовим та німецьким інженером К. Цузе. Існує припущення, що суто хронологічна першість належить Атанасову. ЕОМ К. Цузе працювала вже наприкінці 30-х років і продовжувала працювати до 1953 року. Машина Дж. Атанасова служила на вирішення фізичних завдань. ЕОМ К. Цузе була створена для шифрування та дешифрування секретних військових повідомлень.
Електромеханічні машини Атанасова та Цузе можна віднести до машин «нульового» покоління. Їхнім головним компонентом було електромеханічне реле. «Нульовий» цикл комп'ютерної революції був у історичному масштабі надзвичайно коротким.
Рахункові пристрої з'явилися, як тільки людина замислилася про кількісний облік. З тих пір пристрої, що допомагають людині враховувати матеріальні цінності, різні ресурси та виробляти наукові та технічні розрахунки, постійно вдосконалюються та розвиваються з наростаючою швидкістю.
Перші рахункові пристрої до 18 століття
Розпочалася історія розвитку обчислювальної технікиіз звичайних рахункових паличок, які й сьогодні використовуються у початкових класах для навчання дітей. Потім, ще до нашої ери, з'явився перший рахунковий пристрій – абак (рахунки): грецький, єгипетський, римський, а також такі різновиди абака, як китайський суан-пан та японський соробан. Абак розділяли смуги (поглиблення, використовувалися струни), рахунок здійснювався за допомогою розміщених на смугах каменів або інших подібних предметів- кісточок, жетонів, зерен кукурудзи.
На початку XVII століття шотландський математик Джон Непер, який увійшов до історії як творець таблиці логарифмів, винайшов математичний набір – палички Непера. За допомогою цього інструменту витягували квадратні та кубічні корені, а також множили та ділили великі числа.
А вже 1623 року з'явилася логарифмічна лінійка, яка використовує таблиці Непера для спрощення обчислень. Цього ж року німецьким вченим Вільгельмом Шиккардом була спроектована перша механічна сумируюча машина "Рахувальний годинник" (6-розрядна), яку можна сміливо назвати першим механічним калькулятором, який використовує для обчислення зірочки та шестерні. Необхідно відзначити, що до середини ХХ століття цей винахід залишався невідомим, і тому не впливав на розвиток обчислювальної техніки.
У 1642 році з'явилася 8-розрядна сумируюча машина Блеза Паскаля. У ній використовувалися взаємопов'язані коліщата з нанесеними цифрами від 0 до 9. Коли перше коліщатко здійснювало повний оборот від 0 до 9, починало обертатися друге коліщатко. Коли воно досягало цифри 9, оберталося третє тощо. Машина Паскаля складала і віднімала, множила і ділила лише шляхом багаторазового складання та віднімання.
У 1673 році Готфрід Вільгельм фон Лейбніц сконструював машину «чотирьох дій», яка виконувала і додавання, і віднімання, і множення і поділ, і витяг квадратного кореня. На відміну від Паскаля, Лейбніц використовував у своїй машині циліндри з нанесеними на них цифрами. Спеціально для неї Лейбніц вперше застосував двійкову систему числення.
Рахункові пристрої першої половини 19 століття
У 1804 році француз Жозеф Марі Жаккар сконструював ткацький верстат для великої візерункової тканини, в якому використовувалися перфоровані картки з різним розташуванням отворів. Завдяки цим карткам вдавалося створювати різні візерунки на плетінні тканини. Його ідея надалі використовувалася для обробки інформації за допомогою комп'ютерів.
У 1820 році француз Шарль Ксав'є Тома де Кольмар створив перший комерційний арифмометр, який виробляв множення та розподіл. А вже в 1823 році англійський математик Чарльз Беббідж приступив до будівництва різницевої машини, яка мала проводити обчислення з точністю до 20 знаків після коми. Спорудженням машини Беббідж займався 10 років, але так і не закінчив. У 1830 році він розробив проект аналітичної машини для виконання наукових та технічних розрахунків. У цьому проекті передбачені всі основні пристрої ЕОМ та завдання, які можуть вирішуватись з її допомогою. Як носії інформації при введенні та виведенні Беббідж пропонував використовувати перфокарти. Управління машиною передбачалося програмним шляхом.
Цікаво, що першим програмістом вважається Ада Лавлейс. Саме вона склала перші у світі програми для аналітичної машини Беббіджа, розробила принципи програмування, що передбачають повторення однієї і тієї ж послідовності команд та виконання команд за певних умов. Розробки Ади Лавлейс використовуються і в сучасній обчислювальній техніці.
Рахункові пристрої другої половини 19 століття
У середині ХІХ століття британський математик Джордж Буль запровадив нову математичну логіку. Логічні оператори І, АБО та НЕ здійснюють зв'язки у логічному висловлюванні, завдяки чому можливість розвиватися отримали нові висловлювання. Ця логіка, відома як алгебра Буля, є основою комп'ютерної обробки інформації.
У 1885 році американський винахідник Вільям Барроуз представив самописний арифмометр з клавіатурою для введення даних друкарським пристроємдля виведення результатів обчислень.
1888 року американський інженер Герман Холлеріт сконструював першу електромеханічну лічильну машину - табулятор. До її складу входили - реле, лічильники та сортувальний ящик. Машина зчитувала та сортувала статистичні записи на перфокартах. Компанія Холлеріта надалі утворила кістяк широко відомої IBM – International Business Machines Corporation.
Початок 20 століття – поява перших електромеханічних аналогів комп'ютера
1930 року американський учений Ванневар Буш розробив диференціальний аналізатор - електромеханічний аналог комп'ютера. Машина Буша швидко вирішувала складні математичні завдання та наводилася в дію електрикою. Для зберігання інформації у ній використовувалися електронні лампи.
1936 року англійський математик Алан Т'юрінг розробив гіпотетичний механізм, який створив теоретичну основудля сучасних комп'ютерів «Машина Тьюринга» могла вирішувати різні математичні чи логічні завдання. Вона мала основні властивості сучасного комп'ютера: покроковим виконанням математичних операцій, запрограмованих у внутрішній пам'яті.
У 1937 році Джордж Стібіц, створив перший у США електромеханічний пристрій, що виконує операцію двійкового додавання, - двійковий суматор. Він ґрунтувався на логіці Буля, оскільки електромеханічні реле працювали як логічні вентилі. Надалі двійковий суматор Стібіца стане невід'ємною частиною цифрового комп'ютера.
В 1938 співробітник Массачусетського технологічного інституту Клод Шеннон сформулював принципи логічного пристрою комп'ютера, що використовують електричні схемидля вирішення завдань булевої алгебри.
Перший комп'ютер Z3 – початок комп'ютерної ери
У 1941 році німецький інженер Конрад Цузе розробив перший обчислювальний автомат із програмним управлінням. Це перший комп'ютер - Z3, заснований на електромеханічних реле і працював у двійковій системі числення. Числа записувалися в пам'ять і зчитувалися з неї за допомогою електричних сигналів через реле. Програма кодувалася на перфострічці.
У 1942 році американські фізики Джон Атанасов та Кліффорд Беррі розробили обчислювальний пристрій на вакуумних трубках - машина Атанасоффа-Беррі, або ABC. Обчислення проводилися за допомогою 300 вакуумних трубок, машина використовувала двійковий кодта могла здійснювати логічні операції. Для введення та виведення даних застосовувалися перфокарти.
До 1942 року всі обчислювальні машини працювали на механічних або електромеханічних елементах - реле. З 1942 року для зберігання та обробки інформації почали використовувати електронні лампи, що збільшили швидкість роботи в тисячу разів.
1943 року в секретній урядовій лабораторії Великобританії побудували першу обчислювальну машину, в якій замість електромеханічних реле застосовувалися 2000 електронних вакуумних ламп. ЕОМ призначалася для розшифрування ворожих послань, закодованих німецькою шифрувальною машиною «Енігма».
У 1944 році в Гарвардському університеті продемонстрували обчислювальну машину "Марк-1", розроблену на замовлення ВМС США вагою близько 35 тонн. У ній використовувалися електромеханічні реле. Машина оперувала десятковими числами, вони зберігалися у закодованому вигляді на паперовій перфострічці. Машина могла маніпулювати числами завдовжки до 23 розрядів. Для перемноження двох 23-розрядних чисел їй потрібно 4 секунди.
Від розробки архітектури до випуску перших серійних та комерційних комп'ютерів
У 1945 році американський математик Джон фон Нейман опублікував знамениту "Попередню доповідь про машину EDVAO". У ньому він описав принципи організації ЕОМ та її логічні властивості. Вчений запропонував записувати робочу програмуна згадку про машину в закодованому вигляді. Архітектура комп'ютера отримала назву "фон Неймановської архітектури ЕОМ" і лягла в основу майбутніх моделей комп'ютерів.
В 1946 на замовлення військового відомства США була розроблена перша універсальна електронна обчислювальна машина ENIAC. Її вага – 30 тонн, вона розміщувалася на 170 м2. ЕОМ налічувала 18000 електронних ламп. Машина працювала в двійковій системі і робила 5000 операцій складання або 300 операцій множення за секунду. Дані для розрахунків запроваджувалися за допомогою перфокарт. Електронні лампи мали низьку надійність і часто виходили з ладу.
У 1947 році американці Джон Бардін, Уолтер Браттейн і Вільям Бредфорд Шоклі винайшли стабільний перемикаючий напівпровідниковий прилад - транзистор. Він виконував ті самі функції, що й електронні лампи. Але при цьому транзистори займали значно менший обсяг і споживали значно менше електроенергії.
У 1949 році в Кембриджському університеті була створена перша ЕОМ, в якій зберігалася програма – EDS AC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator – електронний калькулятор із пам'яттю на лініях затримки). У 1949 році Джей Форрестер з Массачусетського технологічного інституту винайшов магнітне запам'ятовуючий пристрій.
У 1951 році Джон Моклі та Преспер Еккерт розробили обчислювальну машину UNIVAC, яка призначалася для комерційних розрахунків. Це був перший комп'ютер, який випускався серійно.
У 1959 році були винайдені інтегральні мікросхеми. На одній кремнієвій платівці розмістилися сотні та тисячі електронних компонентів. Швидкість обчислень збільшилася в десятки разів, порівняно з транзисторними схемамивідповідно, габарити та вага обчислювальної техніки помітно зменшилися.
У 1965 році компанія Digital Equipment випустила перший комерційний мінікомп'ютер PDP-8.
Першу ЕОМ у СРСР побудував Інститут математики АН УРСР під керівництвом академіків С. А. Лебедєва та М. А. Лаврентьєва у 1950 році. Вона називалася МЕСМ – мала електронна лічильна машина. Швидкодія становила 50 операцій на секунду; ємність ОЗУ - 31 число та 63 команди, тактова частота - 5 кГц.
У 1953 року у СРСР було запущено БЭСМ, побудована під керівництвом З. А. Лебедєва. Це була швидкодіюча ЕОМ в Європі. Вона виконувала до 10 тисяч операцій на секунду. Для введення інформації застосовувалася перфострічка, а фотодрукар, що швидкодіє пристрій здійснювало виведення інформації. У цей час у Радянському Союзі серійно випускалася велика обчислювальна машина "Стріла". Автор проекту – Ю. А. Базилевський. Під керівництвом члена-кореспондента АН СРСР І. С. Брука створено універсальні машини М-2 та М-3.
У 1954 році почався серійний випуск універсальної обчислювальної машини "Урал-1", пізніше "Урал-4" розробки Б. І. Рамєєва. Всі ці ЕОМ застосовувалися у народному господарстві.
У 1972 році було розроблено ЄС ЕОМ - Єдина серія обчислювальних машин. Це були стандартизовані комплекси обчислювальних центрів. Вони мали загальну системукоманд.
У практиці повсякденного життя людині доводиться вирішувати різні проблеми чи завдання, багато з яких виникають у незмінному вигляді та досить регулярно. З'являється потреба в розробці типових підходів і правил вирішення проблем, що часто повторюються і завдань. Набір правил, спрямований рішення завдання і що у виконанні деяких простих, типізованих дій, називається алгоритмом. Однак для успішного розв'язання задачі, крім алгоритму, необхідний ще й його виконавець. Досить давно виникла ідея доручити виконання алгоритму, якщо це можливо, машині. Нам, які живуть у ХХI столітті, такі машини добре відомі: всілякі побутові пристрої. пральні машини, кухонні комбайни), пристрої зв'язку, машини (роботи) промислового виробництва, що працюють на конвеєрі і т.п. Однак історично першими з'явилися пристрої для виконання обчислювальних алгоритмів, і це сталося досить давно.
Одним із перших відомих пристроїв, призначених для проведення обчислень, є абак, що означає «лічильна дошка». Припускають, що абак вперше з'явився у Стародавньому Вавилоні близько 3 тис. до зв. е. Спочатку він був дошкою, розграфленою на смуги або з зробленими поглибленнями. Рахункові марки (камінці, кісточки) пересувалися лініями чи поглибленням. У 5 ст. до зв. е. в Єгипті замість ліній і заглиблень стали використовувати палички та дріт із нанизаними камінчиками. На цьому етапі абак використовувався скоріше для запам'ятовування проміжних результатів у ланцюжку обчислень. Починаючи з IV ст. до н.е., абак використовувався для виконання арифметичних обчислень у давньогрецькій та давньоримській цивілізаціях. У Росії аналогом абака з'явилися «російські рахунки». Вони з'явилися у XVI столітті та застосовуються до теперішнього часу.
Наступний етап розвитку характеризується створенням обчислювальних пристроїв на механічній основі із застосуванням шестерень. Серед розробників та творців таких машин слід зазначити Блеза Паскаля, Готфріда Лейбніца, Чарльза Беббіджа. Кожен із них вніс у процес розвитку обчислювальної техніки свої оригінальні ідеї, які використовуються і в сучасних ЕОМ.
Першу підсумовуючу 8-ми розрядну машину побудував Блез Паскаль (1641-1645). Він налагодив виробництво таких машин. Кожній цифрі від 0 до 9 відповідав кут повороту лічильного колеса. Усього було вісім таких коліс. Операція множення замінювалася багаторазовим додаванням. Внесок Паскаля у розвиток обчислювальної техніки, який втратив свого значення, полягав у тому, що він першим здогадався замінити операцію віднімання додаванням із доповненням віднімається. Цей спосіб виконання віднімання і зараз використовується у сучасних процесорах.
Лейбніц (близько 1673 р.) створив перший арифмометр, який виконував усі чотири арифметичні дії. Він першим запропонував виконувати обчислення у двійковій системі числення (на рівні проекту). Авторство у створенні двійкової системи також приписується Лейбниці. Двійкове представлення даних та двійкова арифметика лежать в основі роботи сучасних комп'ютерів. Арифмометр Лейбніца був «просунутішим» пристроєм порівняно з машиною Паскаля. Внесок Лейбніца у розвиток ВТ високо оцінив Норберт Вінер, один із ідейних розробників першої ЕОМ.
Наступний значний крок у створенні обчислювальних машин було зроблено Чарльзом Беббіджем на початку ХІХ століття. Конструктивно машина Беббіджа аналогічна сучасним ЕОМ. Вона містила такі елементи:
· «Склад» для зберігання чисел (пристрій зберігання даних у сучасних ЕОМ).
· «Фабрика» - обчислювальний пристрій (ВП), що виконує операції над числами (у сучасних ЕОМ йому відповідає процесор).
· Пристрій управління (УУ) – також присутній у сучасних ЕОМ.
· Пристрій введення-виведення (УВВ) даних – на друк та перфокарти.
Перфокарта була винайдена Жозефом Жаккардом в 1801 і застосовувалася для управління роботою ткацького верстата. Пізніше Герман Холлерит застосував перфокарту обробки даних з перепису населення 1890 р. Ці роботи призвели надалі до створення корпорації IBM. Перфокарти використовувалися в практиці програмування для введення програм і даних в ЕОМ до 80-х років XX століття.
Повністю реалізувати свої ідеї щодо створення обчислювальної машини Беббідж не дозволив технологічний рівень того часу. Передовим досягненням на той час з'явилися спосіб введення алгоритму машину з допомогою перфокарт і можливість змінювати алгоритм роботи машини. Тоді ж уперше виникла проблема складання програм та вперше виникла ідея створення бібліотеки програм для обчислювальної машини. Поруч із Беббіджем з'являється ще один історично важливий персонаж - леді Ада Лавлейс (1815-1852), дочка Байрона. Вона займалася розробкою алгоритмів та програм для машини Беббіджа і вважається першим у світі програмістом. Їй приписують створення алгоритму обчислення чисел Бернуллі та винахід команди для розгалуження обчислювального процесу. У 1840 р. Беббідж їздив на запрошення італійських математиків у Турін, де читав лекції про свою машину. Було видано конспект цих лекцій французькою мовою. Пізніше Ада Лавлейс переклала ці лекції на англійська мова, Доповнивши їх коментарями, які за своїм обсягом перевершували вихідний текст. У коментарях Ада зробила опис машини Беббіджа та інструкції щодо програмування до неї. Це були перші у світі програми, тому Аду Лавлейс справедливо вважають першим програмістом. У вісімдесятих роках XX століття була розроблена мова програмування, яку назвали "Ада", на честь Ади Лавлейс.
Наступний етап історія створення ЕОМ пов'язані з ім'ям Конрада Цузе (1910 - 1995). Він вважається творцем першої працюючої програмованої ЕОМ та першої мови програмування високого рівня.
К. Цузе проектував літаки у компанії Henschel Aircraft. Йому доводилося виконувати величезні обсяги обчислень. Цузе вирішив автоматизувати процес обчислень. У 1934 р. Цузе вигадав модель автоматичного калькулятора, що складалася з УУ, ВУ, пам'яті і повністю збігалася з архітектурою сучасних комп'ютерів. Він сформулював шість принципів роботи комп'ютерів:
1. повинна використовуватись двійкова система числення;
2. повинні використовуватися пристрої, що працюють за принципом так/ні;
3. має бути повністю автоматизовано процес роботи ВУ;
4. процес обчислень має керуватися програмно;
5. необхідна підтримка арифметики з плаваючою комою, а не лише з фіксованою;
6. слід використовувати пам'ять великої ємності.
У період із 1938 по 1944 р. Цузе створив три моделі обчислювальних машин Z1, Z2, Z3. Модель Z1являла собою двійковий механічний обчислювальний пристрій з електричним приводом та можливістю програмування за допомогою клавіатури. Результат обчислень відображався на ламповій панелі. То була експериментальна модель. Машина Z2 зчитувала інструкції із перфорованої 35-міліметрової кіноплівки. Модель Z3 сьогодні багато хто вважає першим, що реально діяв програмованим комп'ютером. Порядок обчислень тепер можна було визначати заздалегідь, проте умовних переходів і циклів не було. У вересні 1950 року Цузе сконструював машину Z4. У той час Z4 був єдиним працюючим комп'ютером у Європі та першим комп'ютером у світі, який був проданий. Цузе першим розробив мову програмування, не прив'язану до архітектури ЕОМ (1966 р).
Найважливішою віхою у розвитку обчислювальної техніки стало створення Пенсільванському університеті першої ЕОМ під керівництвом Дж. Маучлі і Преспера Эккерта. Проект стартував у 1943 р. за підтримки Лабораторії балістичних досліджень для розрахунків таблиць стрілянини армії США, а вже в 1946 (1945) було продемонстровано ЕОМ ENIAC (від Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator). Це був перший широкомасштабний, електронний, цифровий комп'ютер, здатний бути перепрограмованим на вирішення цілого діапазону завдань. Його окремі характеристики: споживана потужність – 150 кВт., обчислювальна потужність – 300 операцій множення або 5000 операцій складання в секунду, вага – 27 тонн. Обчислення проводилися у десятковій системі.
Розробка другої ЕОМ почалося ще остаточного запуску ENIAC. До групи розробників було включено Дж. фон Нейман. ЕОМ відома під абревіатурою EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). На відміну від ENIAC, це був перший комп'ютер із програмою, що зберігається в пам'яті, який працював у двійковій, а не десятковій системі числення. Наведемо основні Технічні характеристики EDVAC.
Комп'ютер мав вбудованими операціями складання, віднімання та множення, а також програмною реалізацією поділу; обсяг пам'яті становив 5,5 кілобайт у сучасній термінології. Основні конструктивні компоненти EDVAC:
· будову читання/запису з магнітної стрічки;
· Контролюючий пристрій з осцилографом;
· пристрій-диспетчер, що приймає інструкції від контролюючого пристрою та з пам'яті та направляє їх в інші пристрої;
· Обчислювальний пристрій, що виконує за один раз арифметичну операціюнад парою чисел і що посилає результат на згадку;
· таймер;
· Три тимчасові регістри, у кожному з яких зберігалося одне слово.
Час виконання операції додавання – 864 мікросекунди, множення – 2900 мікросекунд. Комп'ютер складався майже з 6000 електровакуумних ламп, і 12000 діодів, і споживав 56 кВт енергії. Займана площа – 45,5 м², маса – 7850 кг. Повний склад обслуговуючого персоналу – 30 осіб на кожну 8-годинну зміну.
Біля витоків створення першої ЕОМ стояло багато вчених. Зокрема Н. Вінер у своїй книзі «Кібернетика» перераховує наступні принципи конструювання ЕОМ.
1) Центральні підсумовувальні та розмножувальні пристрої повинні бути цифровими, як у звичайному арифмометрі, а не ґрунтуватися на вимірі (як у диференціальному аналізаторі Буша).
2) Ці пристрої, що є сутнісно перемикачами, повинні складатися з електронних ламп, а не з зубчастих передач або електромеханічних реле. Це необхідно, щоб забезпечити достатню швидкодію.
3) Відповідно до принципів, прийнятих для ряду існуючих машин Беллівських телефонних лабораторій, повинна використовуватися більш економічна двійкова, а не десяткова система числення.
4) Послідовність дій повинна плануватися самою машиною так, щоб людина не втручалася у процес вирішення завдання з моменту введення вихідних даних до зняття остаточних результатів. Усі логічні операції, необхідні цього, повинна виконувати сама машина.
5) Машина повинна містити пристрій для запасання даних. Цей пристрій повинен їх швидко записувати, надійно зберігати до стирання, швидко зчитувати, швидко прати їх і негайно готуватися до запасання нового матеріалу.
Як пише Н. Вінер: «Усі ці рекомендації є ідеї, покладені в основу сучасної надшвидкої обчислювальної машини. Ці думки майже гасали тоді в повітрі, і я не хочу в даний моментзаявляти будь-які претензії на винятковий пріоритет у їхньому формулюванні. Все ж таки зазначені рекомендації виявилися корисними, і я сподіваюся, що вони мали певний вплив на популяризацію цього кола ідей серед інженерів».
Інший відомий вчений, Дж. фон Нейман, при конструюванні ЕОМ EDVAC сформулював низку вимог, яким має задовольняти ЕОМ. З тих пір (1945) ці вимоги відомі як принципи Джона фон Неймана, покладені в основу архітектури сучасних ЕОМ.
1. Основні блоки ЕОМ: пристрій управління (УУ), арифметико-логічний пристрій (АЛУ), оперативна пам'ять(ОП або ОЗП), зовнішній пристрій (ВЗП), пристрій введення-виведення даних (УВВ).
2. УУ та АЛУ об'єднуються в єдиний пристрій, називається процесором.
3. Алгоритм розв'язання задачі (програма) представлений у вигляді послідовності керуючих слів – команд, які визначають зміст операції, що виконується. Послідовність (сукупність) команд утворює програму.
4. Команда – сукупність відомостей, необхідні процесору до виконання певного действия. Адресний принцип у тому, що у команді вказуються не самі числа, з яких треба виконати дії, які адреси в ОП.
Історія обчислювальних машин
Першим пристроєм, призначеним для полегшення обчислень стали рахунки. За допомогою кістячок рахунків можна було здійснювати операції складання та віднімання та нескладні множення. Однак рахунки зовсім непридатні для операцій над нецілими числами і не можуть робити складні операції. А потреби людства у обчисленнях зростали.
У 1642 р. французький математик Блез Паскаль сконструював першу механічну лічильну машину "Пас-калина", яка могла механічно виконувати складання чисел. У 1673 р. Готфрід Вільгельм Лейбніц сконструював арифмометр, що дозволяє механічно виконувати чотири арифметичні дії. Починаючи з ХІХ ст. арифмометри набули дуже широкого застосування. На них виконували дуже навіть складні розрахункинаприклад розрахунки балістичних таблиць для артилерійських стрільб. Існувала і спеціальна професія - лічильник - людина, яка працює з арифмометром, швидко і точно дотримується певної послідовності інструкцій (таку послідовність інструкцій згодом почали називати програмою). Але багато розрахунків проводилися дуже повільно - навіть десятки лічильників мали працювати за кілька тижнів і місяців. Причина проста: при таких розрахунках вибір виконуваних дій та запис результатів проводилися людиною, а швидкість його роботи дуже обмежена.
Ще першій половині ХІХ ст. англійський математик Чарльз Бебідж спробував побудувати універсальний обчислювальний пристрій, тобто комп'ютер. Беббідж називав його аналітичною машиною. Саме Беббіддл: вперше додумався до того, що комп'ютер повинен утримувати пам'ять і керуватися за допомогою програми. Беббідж дав побудувати свій комп'ютер як механічний пристрій, а програми збирався задавати за допомогою перфокарт - карт з щільного паперу з інформацією, що наноситься за допомогою отворів (вони на той час вже широко застосовувалися в тканих верстатах). Однак довести до кінця цю роботу Беббідж не зміг: вона виявилася надто складною для техніки того часу.
Першим реалізував ідею перфокарт Холзріт. Він винайшов машину для опрацювання результатів перепису населення. У своїй машині він уперше застосував електрику для розрахунків.
У 40-х роках XX ст. Одночасно кілька rpyni дослідників повторили спробу Беббиджа з урахуванням техніки XX в. - електромеханічне реле. Деякі з цих дослідників нічого не знали про роботи Беббіджа і перготкрили його ідеї наново. Першим був німецький івкенер Конрад Цузе, який у 1941 р. побудував невеликий бомп'ютер з урахуванням кількох електромеханічних реле. Але через війну роботи Цузе були опубліковані. А в CEIA 1943 р. на одному з підприємств фірми IBM (International Business Machines Corporation) американець Говард Ейкея створив більше потужний комп'ютерпід назвою "Марк-1". Він уже проводив обчислення в сотні разів швидше, ніж вручну (за допомогою арифмометра) і реально використовувався для більших розрахунків. У ньому використовувалося поєднання електричних зі чгналів та механічних приводів. "Марк-1" мав розміри 15x2,5 м і містив 750 000 деталей, він міг перемножити два 23-розрядні числа за 4 с.
Однак електромеханічні реле працюють дуже повільно та недостатньо надійно. Тому з 1943 р. в США група фахівців під керівництвом Длона Мочлі і Преспера Екерта почала конструювати комп'ютер ENIAC на основі електронних ламп. Створений ними комп'ютер працював у тисячу разів швидше, ніж «Марк-1». Але виявилося, що більшу частину часу цей комп'ютер простоював, вів> для завдання методу розрахунків (програми) у цьому комп'ютері доводилося протягом кількох годин або навіть кількох днів приєднувати потрібним чином дроти. А сам розрахунок після цього міг зайняти лише кілька хвилин або навіть секунд.
Щоб спростити та прискорити процес завдання програм, Мочлі та Екерт стали конструювати новий комп'ютерякий міг би зберігати програму у своїй пам'яті. У 1945 р. до роботи було залучено знаменитого математика Джона фон Неймана, який підготував доповідь про цей комп'ютер. Доповідь була розіслана багатьом ученим і стала широко відома, оскільки в ній фон Нейман ясно і просто сформулював. загальні принципифункціонування комп'ютерів, тобто універсальних обчислювальних пристроїв. І досі переважна більшість комп'ютерів зроблено відповідно до тих принципів, які виклав у своїй доповіді (945 р. Джон фон Нейман. Перший комп'ютер, в якому були втілені принципи фон Неймана, був побудований в 1949 р. англійським дослідником Морісом Вілксом).
Розробка першої електронної серійної машини UNIVAC (Universal Automatic Computer) розпочато; приблизно в 1947 р. Екертом і Мочлі, що заснували в грудні того ж року фірму ECKERT-MAUCHLI. Перший зразок машини (UNIVAC-1) був побудований для бюро перепису США та пущений в експлуатацію навесні 1951 р. Синхронна, послідовної дії обчислювальна машина UNIVAC-1 створена на базі ЕОМ ENIAC та EDVAC. Працювала вона з тактовою частотою 2.25 МГц І містила близько 5000 електронних ламп. Внутрішній пристрій з ємністю 1000 12-розрядних десяткових чисел було виконано на 100 ртутних лініях затримки.
Незабаром після введення в експлуатацію UNIVAC-1 машини її розробники висунули ідею автоматичного програмування. Вона зводилася до того, щоб машина сама могла готувати таку послідовність команд, яка потрібна на вирішення цього завдання.
Сильним стримуючим чинником у роботі конструкторів ЕОМ початку 1950-х років було швидкодіючої пам'яті. За словами одного з піонерів обчислювальної техніки Д. Еккерта, "архітектура машини визначається пам'яттю". Дослідники зосередили свої зусилля на запам'ятовують властивості феритових кілець, нанизаних на дротяні матриці.
У 1951 р. Дж. Форрестер опублікував статтю про застосування магнітних сердечників для зберігання цифрової інформації. У машині «Whirlwind-1 про вперше була застосована пам'ять на магнітних осердях. Вона являла собою 2 куби 32 х 32 х 17 із сердечниками, які забезпечували зберігання 2048 слів для 16-розрядних двійкових чисел з одним розрядом контролю на парність.
До розробки електронних комп'ютерів включилася фірма IBM. У 1952 р. вона випустила свій перший промисловий електронний комп'ютер IBM 701, який був синхронною ЕОМ паралельної дії, що містить 4000 електронних ламп і 12 000 германієвих діодів. Удосконалений варіант машини IBM 704 відрізнявся високою швидкістюроботи, в ній використовувалися індексні регістри та дані подавалися у формі з плаваючою комою.
Після ЕОМ IBM 704 була випущена машина IBM 709, яка в архітектурному плані наближалася до машин другого та третього поколінь. У цій машині вперше було застосовано непряму адресацію та вперше з'явилися канали введення-виведення.
У 1956 р. фірмою IBM було розроблено плаваючі магнітні головки на повітряній подушці. Винахід їх дозволило створити новий тип пам'яті - дискові запам'ятовують пристрої (ЗУ), значимість яких була повною мірою оцінена в наступні десятиліття розвитку обчислювальної техніки. Перші ЗУ на дисках з'явилися у машинах IBM 305 та RAMAC. Остання мала пакет, що складався з 50 металевих дисків з магнітним покриттям, що оберталися зі швидкістю 12 000 об/хв. На поверхні диска розміщувалося 100 доріжок для запису даних, 10 000 знаків кожна.
Слідом за першим серійним комп'ютером UNIVAC-1 фірма Remington-Rand у 1952 р. випустила ЕОМ UNIVAC-1103, яка працювала у 50 разів швидше. Пізніше у комп'ютері UNIVAC-1103 вперше було застосовано програмні переривання.
Співробітники фірми Rernington-Rand використовували форму алгебри запису алгоритмів під назвою «Short Code» (пррвий інтерпретатор, створений R 1949 Джоном Мочлі). Крім того, необхідно відзначити офіцера ВМФ США та керівника групи програмістів, на той час капітана (надалі єдина у ВМФ жінка-адмірал) Грейс Хоппер, яка розробила першу програму-компілятор. До речі, термін «компілятор» вперше запровадила Г. Хоппер у 1951 р. Ця компілююча програма здійснювала трансляцію машинною мовою всієї програми, записаної у зручній для обробки алгебраїчній формі. Г. Хоппер належить також авторство терміна "баг" у застосуванні до комп'ютерів. Якось через відкрите вікно в лабораторію залетів жук (англійською - bug), який, сівши на контакти, замкнув їх, чим спричинив серйозну несправність у роботі машини. Обгорілий жук був підклеєний до адміністративного журналу, де фіксувалися різні несправності. Так було задокументовано перший баг у комп'ютерах.
Фірма IBM зробила перші кроки в області автоматизації програмування, створивши в 1953 для машини IBM 701 «Систему швидкого кодування». У СРСР А. А. Ляпунов запропонував одну з перших мов програмування. У 1957 р. група під керівництвом Д. Бекуса завершила роботу над популярною першою мовою програмування високого рівня, що отримала назву ФОРТРАН. Мова, реалізована вперше на ЕОМ IBM 704, сприяла розширенню сфери застосування комп'ютерів.
У Великій Британії в липні 1951 р. на конференції в Манчестерському університеті М. Вілкс представив доповідь « Найкращий методконструювання автоматичної машини», який став піонерською роботою з основ мікропрограмування. Запропонований ним метод проектування пристроїв керування знайшов широке застосування.
Свою ідею мікропрограмування М. Вілкс реалізував у 1957 р. під час створення машини EDSAC-2. М. Вілкс спільно з Д. Віллером та С. Гіллом у 1951 р. написали перший підручник з програмування «Складання програм для електронних рахункових машин».
У 1956 р. фірма Ferranti випустила ЕОМ "Pegasus", в якій вперше знайшла втілення концепція регістрів загального призначення(РОН). З появою РОН було усунуто різницю між індексними регістрами і акумуляторами, й у розпорядженні програміста виявився не один, а кілька регістрів-акумуляторів