Аналитическая машина Бэббиджа Чарльза: описание, особенности, история и свойства

Компьютер

Intel в Израиле начала разработки в области создания «компьютерного мозга»: технологии, которая будет способна к самообучению. Компьютер (англ.computer— «вычислитель») — машина для проведения вычислений. При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по заранее определённому алгоритму. Кроме того, большинство компьютеров способны сохранять информацию и осуществлять поиск информации, выводить информацию на различные виды устройств выдачи информации. Своё название компьютеры получили по своей основной функции — проведению вычислений. Однако в настоящее время полагают, что основные функции компьютеров — обработка информации и управление.

Основные принципы: Выполнение поставленных перед ним задач компьютер может обеспечивать при помощи перемещения каких-либо механических частей, движения потоков электронов, фотонов, квантовых частиц или за счёт использования эффектов от любых других хорошо изученных физических явлений.

Наибольшее распространение среди компьютеров получили так называемые «электронно-вычислительные машины», ЭВМ. Собственно, для подавляющего большинства людей, слова «электронно-вычислительные машины» и «компьютеры» стали словами — синонимами, хотя на самом деле это не так. Наиболее распространённый тип компьютеров — электронный персональный компьютер.

Архитектура компьютеров может непосредственно моделировать решаемую проблему, максимально близко (в смысле математического описания) отражая исследуемые физические явления. Так, электронные потоки могут использоваться в качестве моделей потоков воды при моделировании дамб или плотин. Подобным образом сконструированные аналоговые компьютеры были обычны в 60-х годах XX века, однако сегодня стали достаточно редким явлением.

В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в математических терминах, при этом вся необходимая информация представляется в двоичной форме (в виде единиц и нулей), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач (а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть легко сведены к математическим).

Было обнаружено, что компьютеры всё-таки могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.

Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры и т. п.

Начинающие пользователи и особенно дети зачастую с трудом воспринимают идею того, что компьютер — просто машина и не может самостоятельно «думать» или «понимать» те слова, которые он показывает. Компьютер лишь механически отображает заданные программой линии и цвета при помощи устройств ввода-вывода. Человеческий мозг сам признаёт в изображённом на экране образы, числа или слова и придаёт им те или иные значения.

Удобство и инженерная эффективность

Вычислительные машины Бэббиджа являются десятеричными устройствами в том смысле, что они используют 10 цифр от 0 до 9, и цифровыми потому, что оперируют только с целыми числами. Значения представлены шестернями, а каждому разряду отведено свое колесо. Если оно останавливается в промежуточном положении между целыми значениями, то результат считается неопределенным, а работа машины блокируется, чтобы показать нарушение целостности расчетов. Это является своеобразной формой обнаружения ошибок.

Бэббидж также рассматривал использование систем счисления, отличных от десятеричной, в т. ч. двоичной и с основанием 3, 4, 5, 12, 16 и 100. Он остановился на десятеричной по причине ее привычности и инженерной эффективности, поскольку благодаря ей значительно уменьшается количество движущихся частей.

Принцип аналитической машины Чарльза Бэббиджа

Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа использует принцип программного управления и является предшественницей современных ЭВМ.

Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей:

• блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений. (состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру);
• блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии — это арифметическое устройство);
• блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии — это устройство управления УУ);
• блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии — это устройство ввода/вывода ).

Аналитическая машина так и не была изготовлена Чарльзом Бэббджем. Кроме хронической нехватки финансовых средств, важнейшая из причин — технологическая. Тогда не умели обрабатывать металл с высокой степенью точности и с высокой производительностью — а для реализации проекта требовались тысячи одних только зубчатых колес.

Большое влияние на посмертную судьбу машины оказал генерал Бэббидж, сын изобретателя. Выйдя в отставку в 1874 году, он несколько лет посвятил изучению отцовского наследия, а в 1880 году начал работу по восстановлению Difference Engine в «железе». Работа продолжалась с переменным успехом до 1896 г. В конце концов к 1904 году был создан небольшой фрагмент машины, который печатал результаты вычислений. Кроме того, Бэббидж-младший сделал несколько мини-копий Difference Engine и разослал их по всему миру.

В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную «разностную машину № 2», а в 2000 году — еще и 3,5-тонный принтер Бэббиджа. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины XIX века, превосходно работают — в расчётах Бэббиджа было найдено всего две ошибки.

В чем отличие аналитической машины от арифмометра

К 1834 г. арифмометр уже был изобретен. Аналитическая машина отличалась от него наличием регистров, что позволяло ей работать по программе, предварительно составленной человеком. В регистрах сохранялся промежуточный результат вычисления, и с их же помощью выполнялись действия, предписанные «программой».

Изобретение регистров предоставляло такие вычислительные возможности, которые поразили Бэббиджа по сравнению с его первой разностной машиной: «Шесть месяцев я составлял проект машины, более совершенной, чем первая. Я сам поражен той вычислительной мощностью, которой она будет обладать; еще год назад я не смог бы в это поверить».

Как уже отмечалось, в единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство («мельница»), регистры памяти, объединенные в единое целое («склад»), и третье устройство, которому автор не дал названия. Оно было реализовано с помощью перфокарт трёх типов:

1. операционные карты (англ. operation card) служили для переключения машины между режимами сложения, вычитания, деления и умножения;
2. карты переменных (англ. variable card) управляли передачей информации со «склада» на «мельницу» и обратно;
3. числовые перфокарты могли быть использованы для ввода данных в машину, а также для сохранения промежуточных результатов вычислений, если место на «складе» было ограничено.

Кроме того, из операционных карт можно было составить библиотеку функций. По замыслу автора аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования. Таким образом, именно Бэббидж стал автором идеи ввода-вывода данных в машину.

Аналитическая машина не была построена

Изобретатель писал в 1851 г.: «Все разработки, связанные с Analytical Engine, выполнены за мой счет. Я провел целый ряд экспериментов и дошел до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы».

Бэббидж сделал более 200 чертежей ее различных узлов и около 30 вариантов общей компоновки машины. Очевидно, что изобретатель намного опередил свое время. Не случайно в конце жизни он скажет: «Я готов отдать последние годы своей жизни за то, чтобы прожить три дня через 150 лет, и чтобы мне подробно объяснили принцип работы будущих машин».

Четвертое поколение компьютеров: история, характеристики, аппаратное и программное обеспечение

В четвертое поколение компьютеров относится к типу компьютеров, которые использовались на этапе, начавшемся в 1972 году. Этот этап был основан на микропроцессорных информационных технологиях.

Это поколение компьютеров, над которым все еще работают. Можно сказать, что компьютеры, которые можно увидеть вокруг, являются компьютерами четвертого поколения.

Первые разработки в области компьютерных технологий были основаны на революционных технологических достижениях, движущей силой которых были изобретения и новые технологии. Это поколение, вероятно, лучше рассматривать как эволюционное, чем революционное.

Таким образом, четвертое поколение компьютеров было большим продолжением или улучшением третьего поколения компьютеров.

Рождение микропроцессора произошло одновременно с рождением микрокомпьютера. Это поколение также соответствовало закону Мура, который предсказывал экспоненциальный рост транзисторов в микрочипах, начиная с 1965 года.

Важность

В микропроцессорах сначала использовалась технология крупномасштабной интеграции, а затем технология очень крупномасштабной интеграции для инкапсуляции миллионов транзисторов на одном кристалле.

Технология микропроцессоров теперь присутствует во всех современных компьютерах. Чипы как таковые можно производить дешево и в больших количествах.

Это поколение компьютеров развивалось очень быстро, потому что они были очень универсальными и простыми в использовании.Роль компьютеров была очень полезной, особенно в области промышленности и информационных технологий.

Новый микропроцессор был таким же мощным, как компьютер ENIAC 1946 г. То, что занимало целую комнату в первом поколении, теперь могло уместиться на ладони.

Настольные компьютеры стали обычным явлением. Персональные компьютеры, которые можно увидеть в офисах и домах, относятся к четвертому поколению компьютеров.

Происхождение и историячетвертого поколения

Изобретение микропроцессорного чипа привело к появлению компьютеров четвертого поколения. Это привело к развитию микрокомпьютеров или персональных компьютеров.

Первый микропроцессор, получивший название Intel 4004, был разработан американской компанией Intel в 1971 году.

Технология очень крупномасштабной интеграции (СБИС) сделала обычным производство полного ЦП или основной памяти с одной интегральной схемой, массовое производство по очень низкой цене.

Это привело к появлению новых классов машин, таких как персональные компьютеры и высокопроизводительные параллельные процессоры, содержащие тысячи процессоров.

Персональные компьютеры

В 1981 году IBM выбрала Intel в качестве производителя микропроцессора для своей новой машины IBM-PC. Это был микропроцессор Intel 8086.

Этот компьютер мог выполнять 240 000 сумм в секунду. Хотя он был намного медленнее, чем компьютеры семейства IBM 360, в сегодняшних ценах он стоил всего 4000 долларов. Такое соотношение цены и качества вызвало бум на рынке микрокомпьютеров.

В 1996 году ПК Intel Pentium Pro мог обрабатывать 400000000 сумов в секунду. Это было примерно в 210 000 раз быстрее, чем ENIAC.

Графический пользовательский интерфейс

По сути, это был интерфейс, в котором средний пользователь взаимодействовал с компьютером, используя визуальные значки, вместо того, чтобы вводить команды на языке программирования.

Это сделало использование компьютера намного проще, и, следовательно, больше людей смогли использовать эту технологию.

Программное обеспечение, работающее на этих компьютерах, также было доступно за небольшую плату или даже бесплатно.

Характеристики компьютеров четвертого поколения

— Увеличенное использование компьютера по сравнению с предыдущим поколением.

— Резко увеличилась скорость процессора.

— Клавиатура и видеомонитор стали стандартными устройствами. Мышь стала играть важную роль.

— Размер, стоимость, потребность в энергии и выработка тепла уменьшились по сравнению с предыдущим поколением.

Миниатюризация

Электронный компонент миниатюризации, называемый крупномасштабной интеграцией (LSI), был разработан, чтобы упаковать все больше и больше схем на одном кристалле.

Позднее была представлена ​​очень крупномасштабная интеграция (СБИС) с использованием микропроцессорной технологии.

Многозадачность

В отличие от компьютеров предыдущего поколения, они могут обрабатывать несколько задач, обеспечивая большую универсальность.

Компьютеры воспроизводят видео, отображают изображения, воспроизводят музыку, могут использоваться для серфинга в Интернете и т. Д.

Эта универсальность означает, что они обладают большей вычислительной мощностью. Эта дополнительная мощность была создана с помощью микропроцессора.

Микропроцессоры обладают такой мощностью, потому что они уменьшили размер транзисторов и увеличили количество процессоров, включенных в схему.

Место хранения

Полупроводники, такие как RAM, ROM и кэш-память, использовались в качестве первичной памяти. Основная память увеличена в виде EPROM и SRAM.

Магнитные диски, такие как жесткие диски, гибкие диски, оптические диски (CD, DVD) и флэш-память, использовались в качестве вторичной памяти.

Сети

Возникла концепция компьютерной сети. По мере того, как компьютеры становились более мощными, они могли соединяться друг с другом в сети, что в конечном итоге привело к развитию Интернета.

Было разработано передовое и простое в использовании программное обеспечение для веб-страниц. Кроме того, были развиты электронная почта и мобильная связь.

Оборудование

Четвертое поколение принесло важные достижения в области макрокомпьютеров второго поколения, а также миникомпьютеров третьего поколения, добавив новую категорию машин, которыми были микрокомпьютеры или персональные компьютеры.

С другой стороны, полупроводниковая память заменила память магнитного сердечника. Также были разработаны мышь и портативные устройства.

С использованием микропроцессоров в компьютерах их производительность стала намного быстрее и эффективнее.

Микропроцессор — это микросхема, используемая в компьютере для выполнения всех арифметических или логических функций, выполняемых любой программой.

Интеграция

Это поколение узнало о процессах создания интегральных схем, содержащих тысячи транзисторов на одном кристалле.

При крупномасштабной интеграции (LSI) 1000 устройств можно разместить на кристалле, а при очень крупномасштабной интеграции (VLSI) можно разместить 100 000 устройств на кристалле.

С микропроцессором можно было разместить центральный процессор (ЦП) компьютера на одном кристалле. В простых системах весь компьютер может уместиться на одной микросхеме: процессор, основная память и контроллеры ввода / вывода.

Микросхемы обработки используются для ЦП, а микросхемы памяти — для ОЗУ. Однако было возможно разработать процессоры со встроенной памятью или кеш-памятью на одном кристалле.

Параллельная обработка

Увеличилось использование параллельных процессоров. Эти машины объединяют несколько процессоров для параллельного выполнения вычислений, выполняя более одной инструкции за раз.

Они использовались для научных расчетов, а также для баз данных и файловых серверов.

программного обеспечения

У этих компьютеров был более быстрый язык программирования, что сделало прикладное программное обеспечение для микрокомпьютеров популярным.

Компьютеры использовались для обработки текста, работы с электронными таблицами и доставки графики.

Операционные системы

В 1974 году Intel изобрела 8-битный микропроцессор под названием 8808. Гэри Килдалл написал операционную систему для этого процессора, известную как Программа управления микрокомпьютерами (CP / M).

С другой стороны, IBM стала партнером Билла Гейтса, который купил операционную систему Computer Product, чтобы распространять ее вместе с новым компьютером IBM.

Обе были операционными системами на основе командной строки, где пользователь мог взаимодействовать с компьютером через клавиатуру.

Графический пользовательский интерфейс

Стив Джобс выпустил компьютер Apple Macintosh в 1984 году с улучшенным графическим интерфейсом пользователя, используя идею интерфейса Xerox Alto.

После успеха Apple Microsoft интегрировала версию оболочки Windows в версию операционной системы DOS 1985 года.

Windows использовалась таким образом в течение 10 лет, пока не была изобретена заново с Windows 95. Это была полноценная операционная система со всеми утилитами.

Языки четвертого поколения

В отличие от языков третьего поколения, языки четвертого поколения не являются процедурными, а используют декларативный стиль.

Декларативный стиль предоставляет математическую спецификацию того, что должно быть вычислено, оставляя компилятору множество деталей о том, как должны выполняться вычисления.

Следовательно, большую программу, созданную на языке третьего поколения, можно заменить одним объявлением на языке четвертого поколения.

Изобретения и их авторы

Изобретение технологии LSI и технологии VLSI привело к появлению компьютеров четвертого поколения. Кроме того, в это поколение вошли следующие разработки:

— Графический пользовательский интерфейс.

— Новые операционные системы.

— Различные устройства ввода / вывода и вторичные запоминающие устройства.

Микропроцессор

Он был разработан в 1971 году Тедом Хоффом вместе с Ф. Фаггином и С. Мазором. Они разработали микропроцессор Intel 4004 для корпорации Intel.

Этот микропроцессор содержал 2300 транзисторов. Он положил начало поколению компьютеров, которое продолжается и по сей день.

Альтаир 8800

Это был один из первых микрокомпьютеров. Он был создан в 1975 году компанией Micro Instrumentation Telemetry Systems (MITS).

Эд Робертс разработал его с использованием процессора Intel 8080, который был первым 16-разрядным микропроцессором. Это было первоначальное влияние персональных компьютеров в мире.

Манзана

В 1976 году Стив Возняк разработал первый компьютер Apple (Apple I). Это был небольшой персональный компьютер.

Стив Джобс помог ему продать этот компьютер, а позже помог ему сделать Apple II. Возняк и Джобс были соучредителями Apple.

IBM PC

В 1981 году компания International Business Machine (IBM) представила этот первый домашний компьютер с процессором 4004.

Microsoft

Пол Аллен и Билл Гейтс, основатели Microsoft, начали работу над языком BASIC для ALTAIR 8800.

Впоследствии операционная система DOS принесла компании большой успех. В 1985 году они выпустили Windows 1.0, 16-битную графическую операционную среду.

В 1986 году они запустили программу обработки текстов, баз данных и электронных таблиц под названием Microsoft Works.

Рекомендуемые компьютеры

Сюда входят миникомпьютеры 1970-х годов, такие как PDP-11/03 и PDP-11/34, персональные компьютеры конца 1970-х — начала 1980-х годов, а также макрокомпьютеры, использующие микропроцессоры, такие как IBM z-series.

Xerox Alto

Компьютер Xerox Alto от PARC был выпущен в 1973 году. Это был настоящий персональный компьютер с портом Ethernet, мышью, а также графическим пользовательским интерфейсом с растровыми изображениями, первым в своем роде. Он был оснащен 16-битным чипом от Texas Instruments.

Микрокомпьютеры Apple

Возняк и Джобс разработали Apple II, который был одним из первых массовых и успешных домашних микрокомпьютеров.

Он был первым в серии Apple II. Всего было продано пять миллионов. Он работал с ROM и Integer BASIC. Возняк разработал Disk II в 1978 году, дисковод для гибких дисков.

Компьютер Apple II побудил компании использовать компьютеры больше, потому что он мог запускать программное обеспечение, такое как электронная таблица VisiCalc.

Apple представила Macintosh в 1984 году на базе микропроцессора Motorola 68000. Первоначально он не имел коммерческого успеха, но в конечном итоге стал.

Многие другие модели компьютеров Apple были произведены в четвертом поколении компьютеров. Некоторые были успешными, а другие нет.

IBM PC

В 1981 году IBM выпустила персональный компьютер. Он стал самым продаваемым компьютером и продается по сей день. Это был ПК на базе Windows.

Архитектура IBM PC стала фактически стандартной моделью на рынке, которую другие производители ПК стремились подражать.

Преимущества и недостатки

Преимущество

Наиболее значительные успехи в развитии компьютеров произошли при переходе от третьего поколения к четвертому.

Самым большим преимуществом является то, что большинство населения может иметь дома хотя бы один компьютер благодаря их доступности и достаточному размеру.

— Это высоконадежные компьютеры, небольшие по размеру и более мощные. Они требуют гораздо меньше обслуживания, чем предыдущие поколения.

— Они обладают мощностью быстрой обработки при меньшем потреблении энергии. К тому же они самые дешевые среди всех поколений.

— У них есть внутренний вентилятор для отвода тепла и, таким образом, для поддержания нужной температуры. Для нормальной работы им больше не требуется кондиционер.

— Они обеспечивают простую в использовании среду при работе с ними за счет разработки графического пользовательского интерфейса и интерактивных устройств ввода и вывода.

— Это компьютеры общего назначения. Их можно использовать практически для чего угодно. Его производство полностью коммерческое.

— Могут использоваться все типы языков высокого уровня.

Недостатки

Для производства микропроцессоров требуется наличие новейших технологий. Это ограничено разработкой и производством очень немногими компаниями (Intel, AMD и т. Д.), Что делает всех зависимыми от них.

Конструкция и изготовление микропроцессора очень сложны. Для изготовления требуются дорогостоящая установка и высококвалифицированный персонал.

С другой стороны, в сетевой системе существует уязвимость к крупномасштабной атаке, что также оставляет возможность вирусной атаки по всей системе, делая всех уязвимыми.