Основные этапы истории развития компьютеров
В данной статье описаны основные этапы развития компьютеров. Описаны основные направления развития компьютерных технологий и причины их этого развития.
В ходе эволюции компьютерных технологий были разработаны сотни разных компьютеров. Многие из них давно забыты, в то время как влияние других на современные идеи оказалось весьма значительным. В этой статье мы дадим краткий обзор некоторых ключевых исторических моментов, чтобы лучше понять, каким образом разработчики дошли до концепции современных компьютеров. Мы рассмотрим только основные моменты развития, оставив многие подробности за скобками. Компьютеры, которые мы будем рассматривать, представлены в таблице ниже.
Основные этапы истории развития компьютеров:
| 1834 | Аналитическая машина | Бэббидж | Первая попытка построить цифровой компьютер |
| 1936 | Z1 | Зус | Первая релейная вычислительная машина |
| 1943 | COLOSSUS | Британское правительство | Первый электронный компьютер |
| 1944 | Mark I | Айкен | Первый американский многоцелевой компьютер |
| 1946 | ENIAC I | Экерт/Моушли | С этой машины начинается история современных компьютеров |
| 1949 | EDSAC | Уилкс | Первый компьютер с программами, хранящимися в памяти |
| 1951 | Whirlwind I | МТИ | Первый компьютер реального времени |
| 1952 | IAS | Фон Нейман | Этот проект используется в большинстве современных компьютеров |
| 1960 | PDP-1 | DEC | Первый мини-компьютер (продано 50 экземпляров) |
| 1961 | 1401 | IBM | Очень популярный маленький компьютер |
| 1962 | 7094 | IBM | Очень популярная небольшая вычислительная машина |
| 1963 | В5000 | Burroughs | Первая машина, разработанная для языка высокого уровня |
| 1964 | 360 | IBM | Первое семейство компьютеров |
| 1964 | 6600 | CDC | Первый суперкомпьютер для научных расчетов |
| 1965 | PDP-8 | DEC | Первый мини-компьютер массового потребления (продано 50 000 экземпляров) |
| 1970 | PDP-11 | DEC | Эти мини-компьютеры доминировали на компьютерном рынке в 70-е годы |
| 1974 | 8080 | Intel | Первый универсальный 8-разрядный компьютер на микросхеме |
| 1974 | CRAY-1 | Cray | Первый векторный суперкомпьютер |
| 1978 | VAX | DEC | Первый 32-разрядный суперминикомпьютер |
| 1981 | IBM PC | IBM | Началась эра современных персональных компьютеров |
| 1981 | Osbome-1 | Osborne | Первый портативный компьютер |
| 1983 | Lisa | Apple | Первый ПК с графическим пользовательским интерфейсом |
| 1985 | 386 | Intel | Первый 32-разрядный предшественник линейки Pentium |
| 1985 | MIPS | MIPS | Первый компьютер RISC |
| 1987 | SPARC | Sun | Первая рабочая станция RISC на основе процессора SPARC |
| 1990 | RS6000 | IBM | Первый суперскалярный компьютер |
| 1992 | Alpha | DEC | Первый 64-разрядный ПК |
| 1993 | Newton | Apple | Первый карманный компьютер |
Всего из истории можно выделить 6 этапов развития компьютеров: поколение механических компьютеров, компьютеры на электронных лампах (такие, как ENIAC), транзисторные компьютеры (IBM 7094), первые компьютеры на интегральных схемах (IBM 360), персональные компьютеры (линейки с ЦП Intel) и, так называемые, невидимые компьютеры.
Спустя почти 100 лет
Как ни странно, за целый век вычислительные машины почти не продвинулись в своем развитии. В 1936-1938 годах немецкий ученый Конрад Цузе создал Z1 – это первый электромеханический программируемый двоичный компьютер. Тогда же, в 1936 году, Алан Тьюринг построил машину Тьюринга.
Она стала основой для дальнейших теорий о компьютерах. Машина эмулировала действия человека, следующего списку логических указаний, и печатала результат работы на бумажной ленте. Аппараты Цузе и Тьюринга — это первые компьютеры в современном понимании, без которых не появились бы компьютеры, к которым мы привыкли сегодня.
Начало 20 века
1931: В Массачусетском технологическом институте Ванневар Буш изобретает и строит первый крупномасштабный автоматический механический аналоговый компьютер общего назначения.
1937: Джон Винсент Атанасофф, профессор физики и математики в Университете штата Айова, подает грантовое предложение на создание первого электрического компьютера без использования шестерен, кулачков, ремней или валов.
1941: Немецкий изобретатель и инженер Конрад Цузе завершает свою машину Z3, самый ранний в мире цифровой компьютер.
1941: Атанасофф и его аспирант Клиффорд Берри разрабатывают первый цифровой электронный компьютер в США, названный компьютером Атанасоффа-Берри. Это первый раз, когда компьютер способен хранить информацию в своей основной памяти и способен выполнять одну операцию каждые 15 секунд.
1947: Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн из Bell Laboratories изобретают транзистор. Они узнают, как сделать электрический выключатель из твердых материалов и без необходимости вакуума.
1949: Команда из Кембриджского университета разрабатывает электронный автоматический калькулятор задержки (EDSAC) — первый практический компьютер с сохраненной программой. А в ноябре ученые построили первый в Австралии цифровой компьютер для воспроизведения музыки под названием Council for Scientific and Industrial Research Automatic Computer (CSIRAC).
Архитектура фон Неймана
Чтобы упростить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти.
В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман совместно с другими учеными.
Журнал «Nature» в 1946 г. опубликовал статью Джона фон Неймана в соавторстве с другими менее известными учеными «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». В этой статье ясно и просто были изложены общие принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них – принцип хранения в памяти программы, согласно которому данные и программа помещается в общую память машины.
Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статьи, получили название «принципы Джона фон Неймана» или «архитектура фон Неймана».
Машина Эдвак
Совместной разработкой Мочли, Экерта и фон Неймана можно считать следующую модель после ENIAC – это машина Эдвак (EDVAC, сокр. от Electronic Discrete Automatic Variable Computer — электронный дискретный переменный компьютер). Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу. В отличие от ENIAC это компьютер на двоичной, а не десятичной основе.
Как и ENIAC, EDVAC был разработан в Лаборатории баллистических исследований Армии США и является первым компьютером, построенным на основе принципов Джона фон Неймана.
Названные машины существовали в единственных экземплярах. А заводское, серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах 20 века.
МЭСМ в СССР
В нашей стране (СССР) первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ – малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев. Под его руководством в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-2, М-20.
Ряд последующих машин и разработок С.А.Лебедева способствовали созданию более совершенных машин следующих поколений.
Когда компьютеры были большими
Жесткий диск (целая тумба), на который в начале 1960-ых годов мог поместиться всего один снимок, сделанный современным цифровым аппаратом
В заключение хочу предложить Вашему вниманию небольшой видеорепортаж из Музея информатики в Париже. Вы увидите своими глазами
- электровакуумную лампу,
- перфокарты,
- процессор,
- жесткий диск,
- микропроцессор,
- модем,
- узнаете о двоичной системе счисления, принципах первого Интернета:
Классификация
Типизация по назначению
На станции метро в городе Шэньчжэнь установлена гигантская клавиатура. Во время ожидания поезда, вы можете посидеть на клавишах Enter, M,
- Калькулятор
- Консольный компьютер
- Миникомпьютер
- Мэйнфрейм
- Персональный компьютер
- Игровая приставка (Игровая консоль)
- Карманный компьютер (КПК)
- Одеваемый компьютер
- Настольный компьютер
- Ноутбук (Лэптоп)
По системам счисления
По элементной основе
- релейные
- ламповые
- ферритдиодные
- транзисторные дискретные
- транзисторные интегральные
Первая троичная ЭВМ «Сетунь» на ферритдиодных ячейках была построена Брусенцовым в МГУ.
Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров очевиден. Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто встречающихся компьютерных устройств. Быстрые темпы развития вычислительной техники означают постоянное расширение областей её применения и быстрое устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.
Физическая реализация
Более строгий подход к классификации основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Не секрет, что самые ранние компьютеры были полностью механическими системами. Тем не менее уже в 30-х годах XX века телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле), а в 40-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе вакуумные электронные лампы. В 50-х — 60-х годах на смену лампам пришли транзисторы, а в конце 60-х — начале 70-х годов — используемые и сегодня полупроводниковые интегральные схемы (кремниевые чипы).
Одним из первых полупроводников были точечные диоды на основе сульфида свинца (Pb) и окиси олова (Sn) в детекторных радиоприёмниках. Позже были разработаны полупроводники на основе германия (Ge). Ещё позже были разработаны полупроводники на основе кремния (Si). Если посмотреть на положение этих элементов в периодической таблице Д.И.Менделеева, то можно заметить, что все они находятся в одной колонке и движение происходит вверх по колонке в таблице Менделеева, поэтому можно предположить, что следующие полупроводники будут разработаны на основе углерода (C Язык программирования). На планете Земля белковые живые существа в своих «думателях» (мозгах) используют белковые образования (нейроны), построенные из белковых молекул, которые в основном являются длинными углеводородными молекулами, т.е. некоторые белки являются полупроводниками на основе углерода (C Язык программирования). Наиболее совершенным мозгом из белковых существ на планете Земля обладает человек.
Приведённый перечень технологий не является исчерпывающим; он описывает только основную тенденцию развития вычислительной техники. В разные периоды истории исследовалась возможность создания вычислительных машин на основе множества других, ныне позабытых и порою весьма экзотических технологий. Например, существовали планы создания гидравлических и пневматических компьютеров, между 1903 и 1909 годами некто Перси И. Луджет даже разрабатывал проект программируемой аналитической машины, работающей на базе пошивочных механизмов (переменные этого вычислителя планировалось определять при помощи ниточных катушек).
В настоящее время ведутся серьёзные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК. И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров.
Впрочем, в большинстве случаев технология исполнения компьютера является гораздо менее важной, чем заложенные в его основу конструкторские решения.
- Квантовый компьютер и квантовая связь
- Механический компьютер
- Оптический компьютер
- Пневматический компьютер
- Электронный компьютер
- Биологический компьютер
Файловые системы
Исторически первой составляющей операционных систем, поддерживающей работу с дисками, стали файловые системы, поначалу их функционал был ограничен распределением дискового пространства и сохранением имен файлов, присвоенных пользователями.
Компьютерный файл – это самый нижний уровень абстрагирования данных от физического хранения, существующих в виде байтов на носителе. Сегодня, говоря о файлах, чаще всего подразумевают файлы на дисках, к тому же данные в форме файлов хранятся и на флэшках, CD, DVD и на лентах резервного копирования. На компьютерах понятие «файлы» использовали с сороковых годов, так называли колоду перфокарт.
На чем бы ни хранился файл, он состоит из массива данных и фолдера – контейнера, содержащего данные, с уникальным идентификатором. В приложении к компьютерным данным фолдер называют метаданными, то есть данными о данных. Термин «дисковый файл» (disk file) впервые был употреблен в документации к диску IBM 350 (1956), а «файловая система» (file system) в одной из первых операционных с разделением времени Compatible Time-Sharing System (CTSS), разработанной в Массачусетском технологическом институте в 1961 году. На ее основе была создана OC Multics, которая в свою очередь вдохновила создателей Unix.
В 1973 году Гарри Килдал разработал файловую систему в составе своей ОС CP/M для 8-разрядного ПК, ее он затем переделал в DR-DOS 16- разрядного ПК, после чего в результате несложной комбинации против воли автора эта файловая система обрела новое воплощение в виде File Allocation Table (FAT) компании Micrоsoft.
По мере увеличения размеров дисков возникали новые файловые системы, одним из важнейших шагов стала Unix File System (UFS), она дала толчок к развитию целой плеяды файловых систем. Вершиной стала 128-битовая файловая систем Zettabyte File System (ZFS), разработанная в Sun Micro Systems.
В последние годы под влиянием необходимости работать с большими данными развитие файловых систем ускорилось. Их можно разделить на две категории: распределенные, обычно устанавливаемые на кластеры, и традиционные, но рассчитанные на работу с большим объемами данных. Из первых наибольшую известность получили Lustre, GPFS и две системы, созданные «по мотивам»
Lustre, — GlusterFS и Ceph. Система GPFS является коммерческой, остальные доступны в открытых кодах. Менее популярны системы XtreemFS, MogileFS, pNFS, ParaScale, CAStor и Tahoe-LAFS. Во второй категории безусловный лидер – ZFS и близкая ей LZJB, дополненная алгоритмом сжатия данных без потерь. Кроме этого имеются еще NILFS, разработанная в Nippon Telephone and Telegraph CyberSpace Laboratories, и Veritas File System, разработанная компанией Veritas Software. Не исключено и паллиативное решение, где совмещаются файловые системы из обеих групп.
Подробнее об эволюции СХД читайте здесь.
Конструктивные особенности
Современные компьютеры используют весь спектр конструкторских решений, разработанных за всё время развития вычислительной техники. Эти решения, как правило, не зависят от физической реализации компьютеров, а сами являются основой, на которую опираются разработчики. Ниже приведены наиболее важные вопросы, решаемые создателями компьютеров:
Цифровой или аналоговый
Фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.
Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенные счёты; наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер.
Двоичный, десятичный или троичный
Примером компьютера на основе десятичной системы счисления является первая американская вычислительная машина Марк I.
Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел в двоичной форме. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств и периферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовывать арифметические функции и логические операции.
Тем не менее переход к двоичной логике был не мгновенным и безоговорочным процессом. Многие конструкторы пытались разработать компьютеры на основе более привычной для человека десятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из ранних советских машин работала на основе троичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проект троичного компьютера Сетунь был разработан и реализован талантливым советским инженером Н. П. Брусенцовым).
Наибольшей плотностью записи данных обладает система счисления с основанием равным основанию натуральных логарифмов, то есть равным числу е=2,71… . Из целочисленных систем счисления наибольшей плотностью записи данных обладает троичная система счисления, двоичная и четверичная системы счисления делят второе место. Поэтому, при одинаковой технологии (число инверторов на 1 мм^2), троичные компьютеры имеют значительно большую ёмкость оперативной памяти и большую производительность процессора. Троичная логика целиком включает в себя двоичную логику, как центральное подмножество, поэтому троичные компьютеры могут всё, что могут двоичные, плюс возможности троичной логики. Например, операции умножения и деления на 3 и на 3^n в двоичных компьютерах выполняются микропрограммами, а в троичных компьютерах выполняются аппаратно одной командой сдвига на 1 или n разрядов вправо или влево. Троичные алгоритмы работают быстрее двоичных алгоритмов, но на двоичных компьютерах это преимущество теряется.
Ещё больший объём памяти и производительность имеют компьютеры с нецелочисленной системой счисления с нецелочисленным основанием равным числу е=2,71. .
В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера — любой компьютер может эмулировать любой другой.
Программируемый
Способность машины к выполнению определённого изменяемого набора инструкций (программы) без необходимости физической переконфигурации является фундаментальной особенностью компьютеров. Дальнейшее развитие эта особенность получила, когда машины приобрели способность динамически управлять процессом выполнения программы. Это позволяет компьютерам самостоятельно изменять порядок выполнения инструкций программы в зависимости от состояния данных.
Хранящий программы и данные
Во время выполнения вычислений часто бывает необходимо сохранить промежуточные данные для их дальнейшего использования. Производительность многих компьютеров в значительной степени определяется скоростью, с которой они могут читать и писать значения в (из) памяти и её общей ёмкости. Первоначально компьютерная память использовалась только для хранения промежуточных значений, но вскоре было предложено сохранять код программы в той же самой памяти (См. Архитектура фон Неймана), что и данные. Это удачное решение используется сегодня в большинстве компьютерных систем. Однако для управляющих контроллеров (микро-ЭВМ) более удобной оказалась схема, при которой данные и программы хранятся в различных разделах памяти (гарвардская архитектура).
Классификация по способностям
Одним из наиболее простых способов классифицировать различные типы вычислительных устройств является определение их способностей. Все вычислители могут, таким образом, быть отнесены к одному из трёх типов:
- специализированные устройства, умеющие выполнять только одну функцию (например, Антикитерский механизм87 год до н. э. или ниточный предсказатель Вильяма Томсона1876 года);
- устройства специального назначения, которые могут выполнять ограниченный диапазон функций (первая разностная машина Чарльза Бэббиджа и разнообразные дифференциальные анализаторы);
- устройства общего назначения, используемые сегодня. Название компьютер применяется, как правило, именно к машинам общего назначения.
Современный компьютер общего назначения
При рассмотрении современных компьютеров наиболее важной особенностью, отличающей их от ранних вычислительных устройств, является то, что при соответствующем программировании любой компьютер может подражать поведению любого другого (хоть эта возможность и ограничена, к примеру, вместимостью средств хранения данных или различием в скорости). Таким образом, предполагается, что современные машины могут эмулировать любое вычислительное устройство будущего, которое когда-либо может быть создано. В некотором смысле эта пороговая способность полезна для различия компьютеров общего назначения и устройств специального назначения. Определение «компьютер общего назначения» может быть формализовано в требовании, чтобы конкретный компьютер был способен подражать поведению универсальной машины Тьюринга. Первым компьютером, удовлетворяющим такому условию, считается машина Z3, созданная немецким инженером Конрадом Цузе в 1941 году (доказательство этого факта было сделано в 1998).
