§ 23. История ЭВМ

Определения и обозначения

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) — устройство, которое обрабатывает данные с помощью электронных компонентов и выполняет операции автоматически по программе. Механические вычислительные устройства действовали за счёт движения рычагов, шестерён или других деталей. Электронная машина не просто заменяет ручной счёт: она способна быстро выполнить целую последовательность команд. Поэтому с ЭВМ стало возможно решать задачи, требующие большого числа однотипных вычислений.

Поколение ЭВМ — условная группа машин, объединённых общими особенностями конструкции и элементной базы. Такую классификацию используют, чтобы сравнить этапы развития вычислительной техники, а не просто расположить компьютеры по годам выпуска. Границы поколений приблизительны: разные машины одного времени могли иметь разные характеристики. Поэтому при определении поколения сначала смотрят на то, какие компоненты лежат в основе машины.

Элементная база ЭВМ — электронные компоненты, из которых построены её основные устройства. От этих компонентов зависят размер машины, её быстродействие, надёжность, энергопотребление и цена. Например, замена ламп транзисторами позволила сделать устройства меньше и сократить потребление энергии. Изменение элементной базы важно не само по себе: оно расширяет круг задач, которые удобно и выгодно решать на компьютере.

Персональный компьютер — ЭВМ, рассчитанная на индивидуальное использование. До его появления вычислительные машины обычно размещались в специальных центрах и обслуживали организации или научные учреждения. Компактность и снижение стоимости сделали компьютер доступнее отдельному человеку. Благодаря этому вычислительная техника стала использоваться не только для специальных расчётов, но и в учёбе, работе и быту.

Как это устроено

Путь к ЭВМ начался с приспособлений для счёта, а затем появились механические вычислительные машины. Машина Блеза Паскаля, созданная в XVII веке, помогала складывать и вычитать числа, облегчая расчёты, связанные, например, с налогами. Устройство Готфрида Лейбница умело выполнять также умножение и деление. Такие машины ускоряли отдельные арифметические действия, но не могли самостоятельно решать произвольную задачу: действия требовалось задавать человеку.

В XIX веке Чарльз Бэббидж предложил проект аналитической машины, способной выполнять разные вычисления. Её работу предполагалось задавать программой — последовательностью команд, а результаты и промежуточные данные хранить в памяти. Если машина сама переключается от одной команды к следующей, человеку не нужно вручную управлять каждым действием. Проект не стал готовой электронной ЭВМ: Бэббидж задумал механическую машину, но его идеи программирования и автоматического выполнения операций оказались важны для будущего компьютера.

Появление электронных ламп позволило создавать машины, в которых вычисления выполнялись электрическими сигналами, а не движущимися механизмами. Лампы могли быстро переключаться, поэтому электронные ЭВМ решали расчётные задачи значительно быстрее механических устройств. Однако для построения сложной машины требовались тысячи компонентов и соединений. Лампы занимали много места, выделяли тепло, потребляли энергию и могли выходить из строя, поэтому первые ЭВМ были громоздкими, дорогими и требовали постоянного обслуживания.

Историю ЭВМ делят на поколения прежде всего по элементной базе: сначала использовали электронные лампы, затем транзисторы, интегральные схемы и микропроцессоры. Транзисторы были меньше ламп и надёжнее, поэтому машины на них стали компактнее и экономичнее. Интегральные схемы объединили множество электронных элементов на небольшой пластине, а микропроцессор разместил основные функции обработки данных в одном компактном устройстве. Благодаря этому росла производительность, а применение компьютеров становилось доступнее.

Развитие микропроцессоров сделало возможным создание сравнительно недорогих машин для одного пользователя. Основные вычислительные функции перестали требовать множества отдельных крупных устройств, поэтому компьютер можно было разместить на рабочем столе. Производство таких машин в больших количествах снижало их стоимость и расширяло круг покупателей. Так вычислительная техника постепенно вышла из специализированных центров и вошла в повседневную жизнь: её стали использовать для учёбы, общения, расчётов и работы с информацией.

Поколения ЭВМ и развитие вычислительной техники

Пользуйтесь таблицей, чтобы проследить связь между элементной базой и изменениями в конструкции машин. Даты переходов указывают приблизительно: поколения не сменяли друг друга в один момент. При сравнении конкретных ЭВМ учитывайте и другие характеристики, а не только название поколения.

Разбор задач

Задача 1. Расположите по времени создание машины Паскаля, аналитической машины Бэббиджа и первых электронных ЭВМ. Сначала определим, к какому этапу относится каждый ориентир. Затем сопоставим века и порядок появления механических и электронных машин.

1. Машина Паскаля была создана в XVII веке и выполняла механические вычисления.
2. Аналитическую машину Бэббидж проектировал в XIX веке; она тоже была задумана как механическая.
3. Первые электронные ЭВМ появились значительно позже, в XX веке, после развития электроники.

Ответ: сначала появилась машина Паскаля, затем проект аналитической машины Бэббиджа, а последними — первые электронные ЭВМ. Важно не смешивать механические машины с первым поколением ЭВМ: это разные этапы истории вычислительной техники.

Задача 2. У ЭВМ элементная база — транзисторы. Определите её поколение и назовите одно отличие от машин на электронных лампах. Здесь нужно применить главный признак классификации — тип основных электронных компонентов. Затем сравним свойства транзисторов и ламп.

1. Вспоминаем последовательность: лампы, транзисторы, интегральные схемы, микропроцессоры.
2. Транзисторам соответствует второе поколение ЭВМ.
3. По сравнению с ламповыми машинами транзисторные могли быть компактнее и потреблять меньше энергии.

Ответ: это обычно ЭВМ второго поколения; одно из отличий — меньшие размеры по сравнению с машинами на лампах. Слова «обычно» и «по сравнению» уместны, потому что классификация условна, а параметры конкретных машин различаются.

Задача 3. Сравните условную ламповую ЭВМ и ЭВМ на микропроцессоре: какая вероятнее будет компактнее и доступнее для индивидуального использования и почему? Не требуется угадывать точные характеристики неизвестных моделей. Нужно связать тип элементной базы с общими изменениями вычислительной техники.

1. Электронные лампы были крупными, требовали много энергии и сложного обслуживания.
2. Микропроцессор объединяет основные функции обработки данных в компактной схеме.
3. Меньшие размеры и возможность массового производства помогают снизить стоимость машины.

Ответ: вероятнее компактнее и доступнее окажется ЭВМ на микропроцессоре, поэтому она лучше подходит для индивидуального использования. Это вывод о типичных тенденциях, а не гарантия характеристик любой конкретной модели: на цену и размеры влияют и другие устройства, назначение и год выпуска.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что поколения ЭВМ различаются только датой выпуска. Её допускают, потому что развитие техники часто описывают по историческим периодам, но главный признак учебной классификации — элементная база. Проверка: назовите компоненты, характерные для поколения, и только затем уточняйте примерное время; даты в источниках могут отличаться.

Ошибка: называть аналитическую машину Бэббиджа готовой электронной ЭВМ. Так происходит, если внимание сосредоточено на сходстве её идей с устройством компьютера, а не на том, что проект был механическим. Проверка: спросите себя, была ли машина построена и на каких компонентах она должна была работать. Бэббидж предложил проект программируемой механической машины.

Ошибка: относить первые приспособления для счёта к первому поколению ЭВМ. Их путают из-за слов «первые вычислительные устройства», хотя электронные машины появились намного позже. Проверка: различайте механические устройства, которые выполняли счёт с помощью деталей, и ЭВМ на электронных лампах. Это разные этапы развития техники.

Ошибка: считать, что новое поколение сразу и полностью вытесняло предыдущее. Такое впечатление возникает из-за схемы, где поколения перечислены по порядку, словно они сменяли друг друга мгновенно. Проверка: помните, что разработка, выпуск и эксплуатация старых и новых машин некоторое время шли параллельно. Классификация показывает направление развития, а не точные границы исчезновения прежних машин.

Связь с другими темами

Чтобы понимать работу ЭВМ, полезно знать, что такое алгоритм, программа, процессор, память и устройства ввода-вывода: это понятия, связанные с выполнением команд и обработкой данных. История машин помогает увидеть, почему менялись их архитектура и микропроцессоры, а также как появились современные персональные устройства. Эта тема связана и с историей науки и техники: развитие вычислений зависело от математики, физики и электроники. Поэтому новые идеи становились практичными, когда появлялись подходящие технические средства.

Что запомнить

• История ЭВМ началась задолго до появления электронных компьютеров.
• Проект аналитической машины Бэббиджа содержал идеи программируемых вычислений.
• Первые электронные ЭВМ были большими и дорогими.
• Поколения ЭВМ различают прежде всего по элементной базе.
• Переход к транзисторам, интегральным схемам и микропроцессорам повышал компактность и надёжность машин.
• Развитие микропроцессоров способствовало распространению персональных компьютеров.