Системы счисления

Введение

 

На всех этапах своего эволюционного развития люди стремились механизировать свой труд. Однако, как правило, эта механизация касалась физического труда: были изобретены рычаг, колесо... В своей умственной деятельности человек долгое время обходился без механизации. С этим можно было мириться в течение сотен лет, пока большинство занималось в основном физическим трудом. Но в связи с развитием мореплавания, астрономии появилась потребность в быстром и точном составлении различных математических таблиц, в том числе синусов, логарифмов, квадратных корней. Возникла мысль создать устройство, облегчающее проведение арифметических операций над большим количеством чисел.

История развития вычислительной техники как у нас в стране, так и за рубежом привлекает к себе все большее внимание. Однако внимание исследователей истории было сосредоточено в основном на достижениях в области аппаратных и программных средств и в гораздо меньшей степени – на истории развития других аспектов информационных технологий. Дело к тому же осложнялось тем, что развитие отечественной вычислительной техники на протяжении многих лет сопровождалось серьезными трудностями в реализации крупных государственных проектов, например, создание автоматизированных систем управления (АСУ). Однако за это время удалось накопить значительный опыт создания информационных систем и систем управления технико-экономическими объектами. Сведения, приведенные в учебном пособии, могут быть интересны всем, кто интересуется вопросами информационных технологий, в том числе студентам, тем более, что вопросы истории информационных технологий включены в учебные программы бакалавров, магистров, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника».

 

ПЕРВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Системы счисления

Для объяснения вопроса о ее происхождении в истории математики возникло несколько конкурирующих гипотез. М. Кантор первоначально предположил, что… Согласно гипотезе Нейгебауэра об измерительном происхождении позиционного… Что касается основания 60, которое, по мнению Нейгебауэра, возникло как синтез вавилонских систем мер, то более…

Абак и счеты

Счет на пальцах, несомненно, самый древний и наиболее простой способ вычисления. Обнаруженная в раскопках так называемая "вестоницкая… "Подсчитай попросту на руках все подати, поступающие нам от городов, да… Чтобы сделать процесс счета более удобным, первобытный человек начал использовать вместо пальцев небольшие камни. Он…

Логарифмическая линейка

В 17 веке шотландцем Джоном Непером (1550-1617 гг.) были изобретены логарифмы. Для их вычисления он предложил использовать устройство, называемое… Вслед за изобретением логарифмов, позволивших свести умножение чисел к… В последующие годы были предложены и использовались самые различные конструкции логарифмических линеек - в виде…

МЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Машина Паскаля

Первая механическая счетная машина была изготовлена в 1623 г. профессором математики Вильгельмом Шиккардом (1592-1636). В ней были механизированы… Но машина Шиккарда вскоре сгорела во время пожара. Поэтому cчитается, что… Машина Паскаля, над которой он работал, не жалея ни времени, ни сил, представляла собой легкий латунный ящичек…

Арифметическая машина Лейбница

В основе машины Лейбница лежал изобретенный им особый ступенчатый валик (знаменитый "валик Лейбница") - т. е. цилиндр, на боковой… С некоторыми усовершенствованиями эти машины, а названы они были…

Перфокарты Жаккара

Увеличение во второй половине 19 века вычислительных работ в целом ряде областей человеческой деятельности выдвинуло настоятельную потребность в…  

Вычислительные машины Бэббиджа (программное управление)

Первым, кто высказал идею об универсальной вычислительной машине, способной работать по различным заложенным в нее программам, и первым, кто… В 1820 году Бэббидж начал работу над вычислительной машиной, которая… В работах Бэббиджа содержались два основных направления: проекты разностной (1822 г.) и аналитической вычислительных…

Арифмометр Однера

Начав работать над своим изобретением в 1874 году, Однер через четыре года получил патент, а в 1890 году основал "Механический и меднолитейный… В Советском Союзе модификация арифмометра под названием "Феликс"… Арифмометр «Феликс» надежно работает при частоте вращения ручки до 250 оборотов в минуту, что позволяет достаточно…

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Период электромеханического этапа развития (40-е годы 20 в.) характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с… В 1831 г. Джозеф Генри (Joseph Henri, 1797 - 1878), профессор натуральной… Впоследствии реле нашло самое широкое применение в технике и, в частности, в аппаратуре связи. Неудивительно поэтому,…

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

Исторически принято выделять следующие поколения ЭВМ: 1-е поколение – ламповые ЭВМ; 2-е поколение – полупроводниковые ЭВМ;

Четвертое поколение ЭВМ (с 1972 г.)

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее… Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к…  

РАЗВИТИЕ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Поколения ЭВМ и автоматизация вычислительных работ

  Рис. 5.1

Эволюция принципов построения ЭВМ

Все вычисления, заданные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов -… - выполняемую операцию; - расположение (адреса) операндов;

Структуры ЭВМ различных поколений

Рис. 5.3  

Особенности классической структуры ЭВМ

Все рассмотренные выше структуры ЭВМ, разработанные за полвека, не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие признаки:

- ядро ЭВМ образуют единственный процессор и память, дополненные каналами обмена информацией;

- все виды памяти имеют линейную одноуровневую организацию (адресацию) ячеек;

- внутренний машинный язык низкого уровня, где команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

- последовательное централизованное управление вычислениями;

- достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего роста производительности. Наметился ее кризис, обусловленный существенными недостатками:

- практически исчерпаны структурные и технологичные методы повышения производительности ЭВМ;

- плохо развиты средства обработки нечисловых данных;

- несоответствие машинных команд операторам языков высокого уровня;

- примитивная организация памяти;

- низкая эффективность при решении задач, допускающих параллельную обработку и др.

Все указанные недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению программных средств, используемых для подготовки и решения задач пользователя.

В современных ЭВМ и в ЭВМ будущих поколений предполагается дальнейшее усложнение структуры. В частности, история развития вычислительной техники показала, что самым узким местом ЭВМ является связь «процессор-память». Именно быстродействие памяти во многом определяет общую скорость последовательных вычислений. Поэтому мощность новейших микропроцессоров используется только на 25-30 %.

В качестве примера развития структуры ЭВМ рассмотрим организацию памяти современных ЭВМ. С точки зрения пользователей в ЭВМ желательно иметь оперативную память большой емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворить эти два противоречивых требования. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому иерархическому принципу.

В составе процессора имеется сверхоперативное ЗУ небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с очень малым временем доступа (1 такт процессора). Здесь сохраняются операнды и результаты выполненных команд. Следующий уровень образует кэш-память, которая представляет собой буферное ЗУ, предназначенное для хранения активных страниц памяти объемом десятки и сотни Кбайт.

В современных ПК кэш-память включает:

- кэш первого уровня (16-64 Кбайт, время доступа 1-2 такта процессора);

- кэш второго уровня (128-512 Кбайт, 3-5 тактов);

- кэш третьего уровня (Itanium 2, 2-4 Мбайт, 8-10 тактов).

Кэш-память по быстродействию занимает промежуточное положение между сверхоперативным ЗУ (регистрами) и ОЗУ. Она предназначена для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Основной объем программ пользователей и данных размещается в ОЗУ, которое образует отдельный уровень иерархии. Емкость ОЗУ составляет миллионы машинных слов, время обращения - до 30 тактов. На этом же уровне иерархии находится ПЗУ, в котором может размещаться часть машинных программ и наиболее часто используемых констант, обеспечивающих управление вычислениями. На более низких уровнях иерархии находятся внешние ЗУ на магнитных носителях, оптических дисках и др. Их отличают более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Согласованная работа всех уровней памяти выполняется под общим управлением операционной системы при децентрализованном управлении отдельными ЗУ. Организация упреждающего обмена информацией между ЗУ различных уровней позволяет рассматривать иерархию памяти как единое виртуальное пространство памяти. Пользователь имеет возможность работы с памятью, которая намного превышает физическую емкость ОЗУ.

Основные характеристики ЭВМ

- как быстро будет решена задача определенного класса? - насколько это соответствует определенной группе задач? - какой сервис предоставляется существующими программами?

Архитектуры ЭВМ и микропроцессоров

1) однопроцессорные ЭВМ типа SISD (Single Instruction - Single Data) или ОКОД (Одинарный поток Команд - Одинарный поток Данных); 2) векторные ЭВМ типа SIMD (Single Instruction - Multiple Data) или ОКМД… 3) конвейерные ЭВМ типа MISD (Multiple Instruction - Single Data) или МКОД (Множественный поток Команд - Одинарный…

ПЕРВЫЕ УЧЕНЫЕ В ОБЛАСТИ ЭВМ И ИХ ПРОЕКТЫ

Джон фон Нейман и Алан Тьюринг

Джон фон Нейман родился 28 декабря 1903 г. в Будапеште. После окончания высшей школы Нейман в течение двух лет изучал химию в Берлинском… Деятельность фон Неймана была чрезвычайно многообразной. Основная сфера его… Безупречная логика была наиболее характерной чертой его мышления. Вот высказывание одного из его коллег: "Слушая…

Атанасов, Моучли и Эккерт

Атанасов стал отстаивать свой приоритет лишь тогда, когда случайно из газет узнал по фотографии давнего визитера в его лабораторию. В 1973 г.… В 1951 году Эккерт и Моучли разрабатывают UNIVAC-1, предназначенный для…  

ЭВМ, созданные под руководством С.А. Лебедева

Первые работы по созданию отечественных ЭВМ проводились в следующих организациях: - ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники, созданный в 1948… - ИНЭУМ - Институт электронных управляющих машин (переименован в 1958 г. из Энергетического института АН СССР, который…

Машины И.С. Брука и его учеников

К созданию электронных цифровых вычислительных машин И.С. Брук вернулся в 1950 г. после принятия на работу талантливых выпускников МЭИ, среди… Матюхин Николай Яковлевич (1927-1984) - один из главных создателей… Первой ЭВМ, созданной под руководством И.С. Брука, стала машина М-1. Ее главным конструктором фактически стал молодой…

ЭВМ, созданные под руководством В.М. Глушкова

В 1956 г. переехал в Киев, где возглавил лабораторию вычислительной техники в Институте математики АН УССР, которой до этого руководил С.А. Лебедев,… В 1962 г. по инициативе Глушкова в Киеве создается Институт кибернетики АН… Сначала были разработаны миниатюрные (по тем временам) машины «Проминь» (1962 г.) и МИР-1 (1965 г.), упрощающие…

ИСТОРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭВМ

Для представления информации в компьютерах используется двоичная система, в соответствии с которой единица данных, байт, представляет собой… Брусенцов начал работу в Московском университете в 1953 году, сразу после… Возглавлявший в те годы кафедру вычислительной математики мехмата МГУ Сергей Львович Соболев намеревался заполучить…

Первые зарубежные суперЭВМ

Первый компьютер Крея создан в 1958 г. на транзисторной базе в компании CDC (Control Data Corporation). Это ЭВМ CDC 1604. Следующими, более… Наибольшую известность на стыке 60-х и 70-х годов прошлого века получил… В 1972 г. С. Крей решил основать собственную фирму Cray Research и приступил к проектированию первой в мире…

Компьютеры фирмы IBM

Фирма IBM – это мировой лидер в области создания средств вычислительной техники. Она основана в 1896 г. под названием Tabulating Machine Company… Первая ЭВМ этой фирмы IBM 701 была выпущена в 1953 г. Она была построена на… В 1959 г. IBM выпускает ЭВМ второго поколения (IBM 1401) и создает свой первый мэйнфрейм (mainframe) IBM 7090 с…

Появление персональных компьютеров

Персональный компьютер - настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве центрального процессора, выполняющего… Идея персонального компьютера, в частности ноутбука, зародилась в… Первым разработчиком и производителем серийных персональных компьютеров является компания Apple Computer. Она была…

Какими должны быть ЭВМ следующих поколений

Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с первого по четвертое поколения стояли… Уже сейчас вычислительная техника достигла просто потрясающих высот. Так, в… Каковы же перспективы совершенствования персональных компьютеров и что нас ожидает в дальнейшем в этой сфере?…

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

САПР в электронике

В США первыми программами анализа нелинейных электронных схем были TAP, NET-1, разработанные в 1962 и 1964 гг. соответственно, а также более… Первая в СССР программа анализа электронных схем разработана в МВТУ им.… Американские ЭВМ были более быстродействующими, но советские программы не уступали американским по времени решения…

САПР в машиностроении

Историю развития CAD/CAM/CAE-систем в машиностроении часто разделяют на несколько этапов. На первом этапе (до конца 70-х годов) был получен ряд научно-практических… На втором этапе (80-е годы) появились и начали использоваться графические рабочие станции компаний Intergraph, Sun…

История ИПИ-технологий

С тех пор работы по CALS ведутся в направлениях: стандартизации языков и форматов представления, хранения и обмена данными; интегрированной… Международная организация стандартизации принимает в 1986 г. стандарт на язык… Большой объем данных, используемых при проектировании, необходимость поддержания их целостности (достоверности и…

Библиографический список

1. Апокин И.А., Майстров Л.Е. Развитие вычислительных машин. - М.: Наука, 1974. - 399 с. 2. Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. От абака до компьютера. – М.: Знание, 1975. 3. Малиновский Б.Н. История вычислительной техники в лицах. – Киев: фирма «Кит» ПТОО «А.С.К.», 1995.

Оглавление

Введение.. 3

1. ПЕРВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА.. 3

1.1. Системы счисления. 3

1.2. Абак и счеты.. 8

1.3. Логарифмическая линейка. 9

2. МЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 11

2.1. Машина Паскаля. 11

2.2. Арифметическая машина Лейбница. 12

2.3. Перфокарты Жаккара. 13

2.4. Вычислительные машины Бэббиджа (программное управление) 13

2.5. Арифмометр Однера. 15

2.6. Табулятор Холлерита, счетно-перфорационные машины.. 16

3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 17

3.1. Релейные машины.. 17

3.2. Первые электромеханические вычислительные машины.. 23

3.3. Проекты Цузе и Айкена. 27

3.4. Аналоговые вычислительные машины.. 29

4. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ... 31

4.1. Первые ЭВМ (до 1960 г.) и их разработчики. 31

4.2. Второе поколение ЭВМ (1960 – 1965 гг.) 36

4.3. Третье поколение ЭВМ (1965 – 1972 гг.) 38

4.4. Четвертое поколение ЭВМ (с 1972 г.) 42

5. РАЗВИТИЕ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 42

5.1. Поколения ЭВМ и автоматизация вычислительных работ. 42

5.2. Эволюция принципов построения ЭВМ... 48

5.3. Структуры ЭВМ различных поколений. 50

5.4. Особенности классической структуры ЭВМ... 53

5.5. Основные характеристики ЭВМ... 55

5.6. Архитектуры ЭВМ и микропроцессоров. 58

6. ПЕРВЫЕ УЧЕНЫЕ В ОБЛАСТИ ЭВМ И ИХ ПРОЕКТЫ... 63

6.1. Джон фон Нейман и Алан Тьюринг. 63

6.2. Атанасов, Моучли и Эккерт. 64

6.3. ЭВМ, созданные под руководством С.А. Лебедева. 65

6.4. Машины И.С. Брука и его учеников. 68

6.5. ЭВМ, созданные под руководством В.М. Глушкова. 74

7. ИСТОРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭВМ... 75

7.1. Отечественная ЭВМ «Сетунь». 75

7.2. Первые зарубежные суперЭВМ... 78

7.3. Многопроцессорные вычислительные комплексы «Эльбрус». 80

7.4. Компьютеры фирмы IBM... 81

7.5. Появление персональных компьютеров. 83

7.6. Какими должны быть ЭВМ следующих поколений. 84

8. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.. 85

8.1. САПР в электронике. 85

8.2. САПР в машиностроении. 86

8.3. История ИПИ-технологий. 92