Первое поколение компьютеров: от Древнего Рима до Второй Мировой

История развития ЭВМ четвертого поколения

Датой начала IV поколения электронных вычислительных машин считается 1971 год. Элементной базой компьютеров этого периода стали микропроцессоры.

Микропроцессор — это сверхбольшая интегральная система. Устройство работает по программе, заложенной в памяти. По своим возможностям микропроцессор может заменить функционал процессора.

Микрокомпьютеры появилась благодаря соединению микропроцессора, устройства ввода-вывода и внешнего запоминающего устройства. Быстродействие ЭВМ данного периода достигало 100 млн. операций в секунду.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Особенностью машин IV поколения стали небольшие размеры и относительно низкая стоимость. Это стало предпосылкой создания первых персональных компьютеров.

Персональный компьютер — это устройство для работы в однопользовательском режиме с универсальными функциями.

В 1976 году на рынке ЭВМ появился первый ПК молодой американской фирмы Apple. Компьютер, разработанный Стивом Джобсом и Стивом Возняком назывался Apple-1.

МикроЭВМ компании Apple имели следующие характеристики:

• цветной дисплей;
• мышь в качестве манипулятора;
• удобная клавиатура;
• магнитные и оптические компактные диски.

С появлением ПК спрос на большие компьютеры снизился. Лидер индустрии производства больших ЭВМ — компания IBM — перешел к разработке микрокомпьютеров. В 1981 году фирма выпустила микроЭВМ IBM PC с собственной операционной системой от Microsoft. Основой устройства стал 16-разрядный процессор Intel 8088. Компьютер имел монохромный текстовый дисплей, два дисковода для дискет на 160 килобайт. Объем оперативной памяти IBM PC — 64 Кбайта. Открытая архитектура данной модели стала эталоном на международном рынке профессиональных персональных компьютеров.

В 1984 году корпорация Apple выпустила первую модель серии Macintosh. ПК данного семейства имели широкое применение в сфере образования США.

К четвертому поколению электронных вычислительных машин также относятся так называемые суперЭВМ. Компьютеры данного вида характеризуются производительностью до миллиардов операций в секунду. Первые суперкомпьютеры: ILLIAC-4, CRAY, CYBER. К ЭВМ этого класса относится отечественный многопроцессорный комплекс «Эльбрус».

История развития

Арифмометр

Одно из главных событий в истории развития вычислительных систем является изобретение арифмометра. Арифмометр — это механическая вычислительная машина, предназначенная для выполнения алгебраических операций. Первая схема такого устройства датируется 1500 годом за авторством Леонардо да Винчи. Вокруг его схемы в 60-х годах 20 века возникло много споров. Доктор Роберто Гуателли, работавший в IBM с 1951 года по проекту воссоздания машин Леонардо да Винчи, в 1968 году создал копию счетной машины по эскизам 16-го века.

Данная машина представляла собой 13-разрядную суммирующую машину.

В следующем году вокруг этой машины начали появляться различные возражения, а именно по поводу её механизма. Существовало мнение о том, что машина да Винчи представляет собой механизм пропорционирования, а не счетную машину. Также возникал вопрос и о её работе: по идее, 1 оборот первой оси вызывает 10 оборотов второй, 100 оборотов третьей и 10 в степени n оборотов n-ной оси. Работа такого механизма не могла осуществляться из-за огромной силы трения. По итогу голоса сторонников и противников счетной машины Леонардо да Винчи разделились, но, тем не менее, IBM решила убрать эту модель из коллекции

Но, оставим наработки Леонардо Да Винчи. Расцвет арифмометров пришелся на 17 век. Первой построенной моделью стал арифмометр Вильгельма Шиккарда в 1623 году. Его машина была 6-разрядной и состояла из 3 блоков — множительного устройства, блока сложения-вычитания и блока записи промежуточных результатов.

Копия арифмометра Шиккарда

Также 17 век отметился ещё несколькими арифмометрами: «паскалина» за авторством Блеза Паскаля, арифмометр Лейбница и машина Сэмюэля Морленда. В промышленных масштабах арифмометры начали производиться в начале 19 века, а распространены были практически до конца 20-го.

Аналитическая и разностная машины Бэббиджа

Чарльз Бэббидж — английский математик, родившийся в конце 18 века. На его счету числится большое количество научных работ и изобретений. Но в рамках данной статьи нас интересуют два его проекта: аналитическая машина и разностная машина.

Идея о создании разностной машины не принадлежит Чарльзу Бэббиджу. Она впервые была описана немецким инженером Иоганном Мюллером в книге с очень сложным названием. До конца не ясно, повлияли ли на Бэббиджа идеи Мюллера при создании разностной машины, поскольку Чарльз ознакомился с его работой в переводе, дата создания которого неизвестна.

Книга Иоганна Мюллера

Считается, что основные идеи для создания разностной машины Бэббидж взял из работ Гаспара де Прони и его идей о декомпозиции математических работ. Его идея заключалась в следующем: есть 3 уровня, на каждом из которых математики занимаются решением определенных проблем. На верхнем уровне находятся самые крутые математики и их задача — вывод математических выражений, пригодных для расчетов. У математиков на втором уровне стояла задача вычислять значения функций, которые вывели на верхнем уровне, для аргументов, с определенным периодом. Эти значения становились опорными для третьего уровня, задачей которого являлись рутинные расчеты. От них требовалось делать только грамотные вычисления. Их так и называли — «вычислители». Эта идея навела Бэббиджа на мысль о создании машины, которая могла бы заменить «вычислителей». Машина Бэббиджа основывалась на методе аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Собственно, поэтому машина и называется разностной.

В 1822 году Бэббидж построил модель разностной машины и заручился государственной поддержкой в размере 1500 фунтов стерлингов. Он планировал, что закончит машину в течение 3 лет, но по итогу работа была не завершена и через 9 лет. За это время он получил ещё 15500 фунтов стерлингов в виде субсидий от государства. Но всё же часть машины функционировала и производила довольно точные (>18 знаков после запятой) расчеты.

Созданная на основе работ Бэббиджа разностная машина

Во время работы над разностной машиной у Чарльза Бэббиджа возникла идея о создании аналитической машины — универсальной вычислительной машины. Её называют прообразом современного цифрового компьютера, и не зря. Она состояла из арифметического устройства (»мельницы»), памяти (»склада») и устройства ввода-вывода, реализованного с помощью перфокарт различного типа. К сожалению, данная идея осталась лишь на бумаге.

Схема аналитической машины Бэббиджа

Табулятор

История электромеханических машин начинается в 1888 году, когда американский инженер Герман Холлерит, основатель компании CTR (будущая IBM), изобрел электромеханическую счетную машину — табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах. В аппарате использовались электромагнитные реле, известные еще с 1831 года и до Холлерита не применявшиеся в счетной технике. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому табулятор Холлерита можно считать первой счетной электромеханической машиной с программным управлением. Машину полностью построили в 1890 году и использовали при переписи населения США в том же году. Впоследствии табуляторы использовались вплоть до 1960-х — 1970-х годов в бухгалтерии, учете, обработке данных переписей и подобных работах. И даже если в учреждении имелась полноценная ЭВМ, табуляторы все равно использовали, чтобы не нагружать ЭВМ мелкими задачами.

Табулятор IBM

Электромеханические машины времен ВМВ

Следующий виток в развитии вычислительной техники пришелся на Вторую мировую войну. Расчетные машины использовали для атак на вражеские шифры, расчета баллистики и при разработке сложных видов вооружения (авиация, ядерное оружие).

В 1937 году Клод Шеннон в своей работе A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits показал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражения булевой алгебры. Машины тех лет можно условно на два типа: электромеханические (основанные на электромагнитных переключателях) и электронные (полностью на электровакуумных лампах). К первым относились американский Harvard Mark I и компьютеры немецкого инженера Конрада Цузе.

Mark I

Работа над Mark I началась в 1939 году в Endicott laboratories по субподрядному договору с IBM. В качестве основы использовались наработки Чарльза Бэббиджа. Компьютер последовательно считывал инструкции с перфоленты, условного перехода не было, циклы организовывались в виде склеенных в кольцо кусков перфоленты. Принцип разделения данных и инструкций в Mark I получил известность как Гарвардская архитектура. Машину закончили в 1944 году и передали в ВМФ США. Характеристики:

• 765 тысяч деталей (электромеханических реле, переключателей и т. п.)
• Длина — 17 м, высота — 2.5 м, вес — 4.5 тонн
• Потребляемая мощность — 4 кВт
• Объем памяти — 72 числа, состоящих из 23 разрядов (память на десятичных цифровых колесах)
• Вычислительная мощность — 3 операции сложения и вычитания в секунду, 1 операция умножения в 6 секунд, 1 операция деления в 15.3 секунды, логарифм и тригонометрические операции требовали больше минуты.

В 1936 немецкий инженер Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем Z1. Первые две модели из серии Z были демонстративными. Следующий же компьютер, Z3, который закончили в 1941, имел практическое применение: с его помощью делали аэродинамические расчеты (стреловидные крылья самолетов, управляемые ракеты). Машина была выполнена на основе телефонных реле. Инструкции считывались с перфорированной пленки. Так же, как в Mark I, отсутствовали инструкции условного перехода, а циклы реализовывались закольцованной перфолентой. Z3 имел некоторые преимущества перед своими будущими собратьями (ENIAC, Mark I): вычисления производились в двоичной системе, устройство позволяло оперировать числами с плавающей точкой. Так как Цузе изначально исходил из гражданских интересов, его компьютеры более близки к современным, чем тогдашние аналоги. В 1944 году практически был завершен Z4, в котором уже присутствовали инструкции условного перехода. Характеристики Z3:

: с плавающей точкой, 22 бита, +, −, ×, /, квадратный корень. : 5,3 Гц.
• Средняя скорость вычисления: операция сложения — 0,8 секунды; умножения — 3 секунды.
• Хранение программ: внешний считыватель перфоленты.
• Память: 64 слова с длиной в 22 бита.
• Ввод: десятичные числа с плавающей запятой.
• Вывод: десятичные числа с плавающей запятой. : 2600 реле — 600 в арифметическом устройстве и 2000 в устройстве памяти. Мультиплексор для выбора адресов памяти.
• Потребление энергии: 4 кВт.
• Масса: 1000 кг.

Первые ламповые компьютеры

Однозначно определить первый в мире компьютер сложно. Многими учеными определение первого поколения основывается на вычислительной базе из электронных ламп. При этом первое поколение компьютеров разрабатывалось во время Второй мировой войны. Возможно, созданные в то время компьютеры засекречены и по сей день. В целом выделяют два возможных первенца — ENIAC и Colossus

ENIAC

Electronic Numerical Integrator and Computer (Электронный числовой интегратор и вычислитель) или ENIAC создавался по заказу от армии США для расчета баллистических таблиц. Изначально, подобные расчеты производились людьми и их скорость не могла соотноситься с масштабом военных действий. Построен компьютер был лишь к осени 1945 года.

• Вес — 30 тонн.
• Объем памяти — 20 число-слов.
• Потребляемая мощность — 174 кВт.
• Количество электронных ламп — 17 468
• Вычислительная мощность — 357 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду.
• Тактовая частота — 100 кГц
• Устройство ввода-вывода данных — табулятор перфокарт компании IBM: 125 карт/минуту на ввод, 100 карт/минуту на вывод.

Colossus

Colossus в отличие от ENIAC был очень узконаправленной машиной. Он создавался исключительно с одной целью — декодирование немецких сообщений, зашифрованных с помощью Lorenz SZ. Эта машина было схожа с немецкой Enigma, но состояла из большего числа роторов. Для декодирования этих сообщений было решено создать Colossus. Он включал в себя 1500 электронных ламп, потреблял 8,5 КВт и обладал тактовой частотой в 5.8 МГц. Такое значение частоты достигалось за счет того, что Colossus был создан для решения только одной задачи и применяться в других областях не мог. К концу войны на вооружении Британии стояло 10 таких машин. После войны все они были уничтожены, а данные о них засекречены. Только в 2000 году эта информация была рассекречена.

Реконструированная модель Colossus

Признаки ЭВМ

Ключевым принципиальным критерием отнесения вычислительного устройства к категории ЭВМ, или компьютера, эксперты называют программируемость. Этим соответствующего типа машины, в частности, отличаются от калькуляторов, какими бы мощными последние ни являлись. Даже если речь идет о программировании на очень низком уровне, когда используются «нули и единицы» – критерий в силе. Соответственно, как только были изобретены машины, быть может, по внешним признакам сильно схожие с калькуляторами, но которые можно было программировать – их стали именовать компьютерами.

Под термином «поколение ЭВМ» понимают, как правило, принадлежность компьютера к конкретной технологической формации. То есть, той базе аппаратных решений, на основе которой ЭВМ работает. При этом, исходя из критериев, предлагаемых IT-экспертами, деление компьютеров на поколения далеко не условное (хотя, конечно, есть и переходные формы компьютеров, которые сложно однозначно отнести к какой-либо конкретной категории).

Завершив теоретический экскурс, мы можем начать изучать поколения ЭВМ. Таблица, что ниже, поможет нам ориентироваться в периодизации каждого.

Вторая половина 70 – начало 90-х

90-е – наше время

Далее мы рассмотрим технологические особенности компьютеров для каждой категории. Нами будет определена характеристика поколений ЭВМ. Таблица, что мы сейчас составили, будет дополнена другими, в которых будут соотнесены соответствующие категории и технологические параметры.

Отметим важный нюанс – нижеследующие рассуждения касаются, главным образом, эволюции компьютеров, которые сегодня принято относить к персональным. Есть совершенно иные классы ЭВМ – военные, промышленные. Есть так называемые «суперкомпьютеры». Их появление и развитие – отдельная тема.

Электронное приложение к уроку

Вернуться к материалам урока
Презентации, плакаты, текстовые файлы	Ресурсы ЕК ЦОР
Видео к уроку

Cкачать материалы урока

Видеокарта

Видеокарта представляет собой отдельную печатную плату, установленную в разъем PCI Express материнской платы и предназначена для вывода изображения на экран монитора. Она обрабатывает полученную информацию и преобразует в аналоговый и цифровой видеосигнал, который через разъем по кабелю поступает на монитор. На видеокарте, как правило, установлен процессор (GPU) и оперативная видеопамять.

Оперативная память

А вот с оперативной памятью все не так просто, как кажется на первый взгляд. Нам будет нужен двухканальный комплект объемом 16 ГБ, но в рознице есть много удачных моделей памяти, которые продаются в небольших количествах и вполне вероятно, на момент выхода блога или в вашем регионе они будут отсутствовать. Поэтому мы возьмем распространенный и недорогой комплект из пары модулей Kingmax KM-LD4-2666-8GS, с частотой 2666 МГц и таймингом CL, равным 19.

ЭВМ первого поколения

ЭВМ первого поколения были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт.

Например, одна из первых ЭВМ – ENIAC представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров. Эта машина содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии.

Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки.

Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.

В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор.

На что влияет частота процессора

Далее обратим внимание, что в этом же окне можно посмотреть такую характеристику, как частота процессора.

Процессор — это мозг вашего компьютера. Собственно, в процессоре и происходят все операции. Печатаете ли Вы текст в текстовом редакторе, или пишите программу на языке программирования, или создаёте сайт – всё это выполняется в процессоре.

На что влияет частота процессора? Частота процессора — это количества операций, выполняемых в секунду. И поэтому, именно от этой характеристики зависит, насколько быстро будут выполняться команды и программы на Вашем компьютере.

Процессор intel (R) pentium (R) cpu p6200 2.13 GHz — что это означает. Этот процессор предназначен для ноутбуков и работает на тактовой частоте 2.13ГГц. То есть, переводя на понятный пользователю язык, частота процессора 2.13 ГГц — это приблизительно два миллиарда 130 миллионов операций в секунду. Цифра это приблизительная, но точно отображающая истинную скорость работы процессора. Поэтому, понятно, чем больше частота процессора, тем быстрее работает Ваш компьютер.

Для того, чтобы понять насколько Ваш компьютер соответствует современным требованиям, скопируйте марку процессора посмотрите в интернете. Обратите внимание, что частота процессора должна быть достаточно высокой.

Первый персональный компьютер: другие модели

1. Apple-1. Прототип этого компьютера был продемонстрирован еще в 1976 году. Именно этот компьютер стал прародителем всех последующих персональных компьютеров. Именно его разработал сам Стив Возник. Всего было выпущено около 200 этих моделей, до наших дней дожило около 50, 6 из которых даже работают.
2. IBM 5150. Не был персональным компьютером и предназначался для бизнеса, так как стоил около 20 000$.
3. Apple 2. Выпущен в апреле 1984 года. Имел две модели: портативную и стационарную. Именно портативная модель сделала этот компьютер достаточно популярным.
4. Commodore 64. Это полноценный персональный компьютер с «оперативкой» в 64 Кб, который выпустила компания Commodore International буквально через год после IBM 5051 — в августе 1982 года. Этот компьютер не стал «самым первым персональным», но стал «самым первым массовым». Он предлагался по цене в 595$, при этом характеристики у него были не хуже, чем у IBM 5051 за 3005$. Этот факт послужил тому, что объем проданных компьютеров этой модели достиг более 15 млн экземпляров.
5. БК-0010. «Советский ответ» западным разработчикам. Это первый персональный компьютер советского производства. Кстати, БК — это «бытовой компьютер». Он продавался в 1985-1988 годах за 600 советских рублей.
6. IBM 5160. Компьютер от компании IBM, выпущенный в 1983 году. Он обладал уже более «крутыми» характеристиками, чем их «первый персональный»: оперативная память составляла уже от 128 Кб и до 640 Кб.

1. Первая компьютерная мышь. Первая мышь изобретена в 1963 году. Состояла она из деревянного корпуса и 2-х колес, которые фиксировали передвижение мыши по 2-м осям.
2. Первый трекбол для мыши. Первый трекбол был разработан за 11 лет до появления первой компьютерной мыши в 1952 году. А на мышь он стал устанавливаться только в 1972 году.
3. Первый портативный компьютер. Это был IBM 5100 Portable Computer 1975 года выпуска. Его вес составлял 25 кг. По сути это был большой «чемодан», который нужно было подключать в розетку, чтобы использовать. Он имел оперативную память от 16 Кб и до 64 Кб и стоил 8975$-19975$.
4. Первый ноутбук. Это был «ноутбук» Grid Compass 1100, 1982 года выпуска. Разрешение экрана 320х200, «оперативки» 340 Кб, вес 5 кг, стоимость 8000$-10000$.
5. Первая оперативная память. Была изобретена в 1951 году.
6. Первый hard-диск. Это был IBM 350 Disk File 1956 года разработки. Он состоял из 50 24-дюймовых флоппи-дисков и выдавал памяти 4.4 Мб.
7. Первый лазерный принтер. Изобретен в 1969 году компанией Xerox. Он был просто огромным, поэтому занимал целую небольшую комнату.
8. Первый веб-сервер. Это был простой компьютер, на котором стала доступной первая онлайн-страница 6 августа 1991 года.