§ 6. История развития вычислительной техники

Определения и обозначения

Вычислительная техника — совокупность средств и методов, предназначенных для вычислений и обработки информации. Сначала к ней относили счётные приспособления и механизмы, а с развитием электроники — также ЭВМ и компьютеры. Так называют не одну машину, а всё разнообразие способов и устройств, помогающих обрабатывать данные.

Арифмометр — механическое вычислительное устройство, выполняющее арифметические действия. В отличие от абака или счётных косточек, он не просто помогает человеку сохранять числа: действие выполняет механизм, который можно привести в движение. Это ускорило расчёты и уменьшило вероятность ошибок при повторении однотипных операций.

Аналитическая машина — проект универсального механического вычислительного устройства, созданный Чарльзом Бэббиджем в XIX веке. В проекте были предусмотрены ввод данных, память, вычислительное устройство и управление последовательностью операций. Эти части напоминают основные узлы компьютера, хотя замысел Бэббиджа относился к механической, а не электронной машине.

Поколения электронно-вычислительных машин (ЭВМ) — этапы развития компьютеров, различаемые прежде всего по элементной базе, то есть по главным компонентам, из которых построена машина. Переход от ламп к транзисторам, затем к интегральным схемам и микропроцессорам менял размеры, скорость и возможности ЭВМ. Такая классификация показывает, почему компьютеры разных эпох заметно различаются.

Как это устроено

Потребность считать появилась раньше письменности и машин: людям нужно было учитывать запасы, обмен и результаты наблюдений. Для небольших чисел хватало пальцев, зарубок и камешков, но при сложном счёте эти способы становились неудобными. Абак и похожие инструменты помогали представлять числа и перемещать счётные элементы по правилам, поэтому вычисления становились нагляднее и быстрее.

Когда понадобилось многократно выполнять сложные расчёты, простых счётных инструментов стало недостаточно. В XVII веке Блез Паскаль создал механическую счётную машину, а Готфрид Лейбниц разработал устройство, способное выполнять больше арифметических действий, включая умножение и деление. Позже появились арифмометры: в них действия выполнялись механизмом, а не только самим человеком. Механизация была нужна, чтобы ускорить повторяющиеся расчёты и сделать их более надёжными.

Бэббидж стремился не просто заставить механизм складывать числа, а автоматизировать вычисления по заданному порядку действий. В его проекте данные и команды должны были вводиться с помощью перфокарт, то есть карт с отверстиями. «Склад» предназначался для хранения чисел, а «мельница» — для выполнения операций; управление задавало, что делать дальше. Поэтому проект заранее объединял ввод, память, вычисления и управление, хотя остался механическим и не был полностью осуществлён.

Следующий шаг состоял в том, что к механическим частям стали подключать электрические компоненты: так появились электромеханические вычислительные машины. Электрические сигналы помогали быстрее управлять механизмами, но движущиеся детали всё ещё ограничивали скорость и надёжность. В электронных ЭВМ операции выполняли электронные компоненты без сложного механического перемещения. Это позволило резко ускорить вычисления и автоматизировать обработку больших объёмов данных.

Поколения ЭВМ выделяют по тому, какие компоненты лежат в основе машин: лампы, транзисторы, интегральные схемы или микропроцессоры. Каждый новый тип элементов позволял размещать больше возможностей в меньшем объёме и обычно требовал меньше энергии. Поэтому компьютеры становились компактнее и быстрее, а их производство и использование — доступнее. Развитие элементной базы также расширяло круг задач, которые можно было решать на ЭВМ.

Основные этапы развития вычислительной техники

Читайте таблицу слева направо: сначала выясните, когда появился этап, затем — на каком принципе или элементной базе он основан. Последний столбец помогает увидеть, что именно изменилось для пользователей и вычислений. Границы периодов условны: разные классификации могут немного отличаться.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Расположите абак, арифмометр, аналитическую машину Бэббиджа и электронную ЭВМ в порядке появления и укажите, чем каждый этап отличался от предыдущего. Нужно сравнить не только даты, но и способ выполнения вычислений. Проследите переход от помощи человеку к автоматизации операций и далее к программируемой обработке.

1. Абак появился раньше механических вычислительных устройств: он помогал человеку вести счёт, но сам не выполнял вычисления автоматически.
2. Затем возник арифмометр, где механизм выполнял отдельные арифметические действия. Это был шаг от счётного инструмента к автоматизации операций.
3. Позже Бэббидж разработал проект аналитической машины. В отличие от арифмометра, она задумывалась как универсальное устройство с вводом данных, памятью, вычислением и управлением.
4. Электронная ЭВМ появилась позднее и выполняла операции с помощью электронных компонентов, значительно быстрее механических устройств.

Ответ. Абак → арифмометр → аналитическая машина Бэббиджа → электронная ЭВМ. Переходы показывают путь от счётного инструмента к механической автоматизации, проекту программируемой машины и быстрым электронным вычислениям.

Задача 2

Условие. Определите поколение ЭВМ, если в ней использовались транзисторы вместо электронных ламп. Для ответа используйте основной признак классификации поколений, а не размер машины или год её создания. Сравните названные компоненты с элементной базой поколений.

1. Вспомните, что первое поколение ЭВМ строилось на электронных лампах.
2. Транзисторы стали основой следующего этапа развития и заменили лампы.
3. Следовательно, машина на транзисторах относится ко второму поколению.

Ответ. Это ЭВМ второго поколения. Определяющий признак — транзисторы вместо электронных ламп.

Задача 3

Условие. Сравните две ЭВМ разных поколений по элементной базе, размерам, быстродействию и доступности; объясните, как одно изменение повлияло на другое. Возьмём для сравнения машину первого поколения на лампах и машину второго поколения на транзисторах. Вывод нужно обосновать причинно-следственной связью.

1. Сначала определите элементную базу: лампы у первой машины, транзисторы у второй.
2. Затем сравните типичные свойства: ламповые ЭВМ были крупными, потребляли много энергии и требовали сложного обслуживания; транзисторные машины обычно были компактнее и надёжнее.
3. Меньшие размеры и более надёжная работа компонентов позволяли повысить быстродействие и упростить эксплуатацию.
4. Учитывайте, что сравниваются типичные особенности поколений, а конкретные машины могли различаться.

Ответ. ЭВМ второго поколения на транзисторах обычно были меньше, быстрее и доступнее для использования, чем ламповые машины первого поколения. Замена элементной базы уменьшила энергозатраты и повысила надёжность, что помогло распространению вычислительной техники.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что история вычислительной техники начинается с компьютеров. Это впечатление возникает потому, что современные устройства заметнее и привычнее древних инструментов. Проверьте себя: если в рассказе нет счётных приспособлений и абака, его начало пропущено.

Ошибка — называть аналитическую машину Бэббиджа готовой электронной ЭВМ. Так путают идеи, которые напоминают устройство компьютера, с самой машиной: проект был механическим и не был построен в задуманном виде. Проверка проста: спросите, какой принцип действия предполагался, — ответом будут механизмы, а не электронные компоненты.

Ошибка — смешивать механические, электромеханические и электронные устройства. Причина путаницы в том, что все они служили вычислениям, хотя работали по-разному. Чтобы проверить себя, назовите компоненты: механизмы, сочетание механизмов с электрическими элементами или электронные компоненты.

Ошибка — определять поколение ЭВМ только по дате или внешнему виду. Даты периодов приблизительны, а размеры сами по себе не показывают, какие компоненты использованы. Найдите сведения об элементной базе: лампы, транзисторы, интегральные схемы или микропроцессор укажут поколение точнее.

Связь с другими темами

Для понимания истории вычислений полезно знать, что такое информация, вычисление и алгоритм: алгоритм задаёт порядок действий, а машина может его выполнять. Эта тема помогает разобраться, зачем компьютеру аппаратное обеспечение и как возникли программируемые системы. Развитие вычислительной техники связано с информационными технологиями, которые применяются в науке, производстве и повседневной жизни. Так становится понятнее, почему изменения устройств влияли не только на скорость счёта, но и на способы работы людей с информацией.

Что запомнить

• Вычислительная техника развивалась от простых счётных приспособлений к универсальным электронным компьютерам.
• Механические устройства автоматизировали отдельные арифметические действия.
• Проект аналитической машины Бэббиджа предвосхитил ряд принципов программируемых компьютеров.
• Переход к электронным ЭВМ резко увеличил скорость вычислений.
• Поколения ЭВМ различают прежде всего по элементной базе.
• Смена поколений сопровождалась уменьшением размеров устройств и ростом их возможностей.