История возникновения персональных компьютеров

Эволюция ЭВМ

Более трех тысяч лет назад в Средиземноморье было распространено простейшее приспособление для счета: доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Такая счетная дощечка называлась абак и использовалась для ручного счета.

В Древнем Риме подобное изобретение называли calculi или abaculi и изготавливали из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произош­ло латинское слово calculatore (вычис­лять), а затем — русское слово «кальку­ляция». Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.

Для простоты понимания основные этапы развития вычислительной техники представлены в виде таблицы.

Первая механическая машина была построена немецким ученым Вильгель­мом Шиккардом предположительно в 1623 году. Машина была реализована в единственном экземпляре и предназнача­лась для выполнения арифметических операций, но была недостаточно известна, потому долгие годы считалось, что первую суммирующую машину сконструировал Блез Паскаль (французский математик, физик, религиозный философ и писатель) в 1642 году.

В 1674 году Готфрид Лейбниц расширил возможности ма­шины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадрат­ного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо привычных для человека десяти цифр две: 1 и 0. Двоичная система счислений широко используется в современных ЭВМ.

Ни одна из этих машин не была автоматической, они требовали непре­рывного вмешательства человека. Но в 1834 году Чарльз Бэббидж первым разработал подробный проект автоматической вычисли­тельной машины, однако, ему так и не удалось воплотить свой проект, так как в то время не­возможно было достичь требуемой точности изготовления узлов.

Ч. Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:

• «склад» для хранения чисел (по современной терминологии — па­мять);

• «мельницу» для производства арифметических действий (арифме­тическое устройство);

• устройство, управляющее последовательностью выполнения опе­раций (устройство управления);

• устройства ввода и вывода данных.

В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Ч. Бэббидж рассматривал паровой двигатель. Бэббидж предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд. На этих картах было представлено то, что сегодня мы назвали бы программой. Вообще, Ч. Бэббидж довольно подробно рассматривал вопросы, связанные, как мы сейчас говорим, с программированием. В частности, им была разработана весьма важная для программирования идея «условной передачи управления». Идеи Бэббиджа заложили фундамент, на котором со временем были построе­ны ЭВМ.

Первые программы для вычислитель­ной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс (Ada Lovelace) — дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования. Ада Лавлейс разработала основные принципы программирования, ко­торые остаются актуальными до настоящего момента времени. Ряд терминов, введенных ею, используется и сейчас, на­пример, «цикл», «рабочие ячейки».

Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль (1815-1864 гг.). Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операторы И, ИЛИ и НЕ.

В 1888 году Германом Холлеритом была сконст­руирована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета перфокарт. Эта машина, названная табулятором, содержала реле, счетчики, сортировочный ящик. Изобретение Холлерита было использовано при под­ведении итогов переписи населения в США. Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 не­дели.

В 1896 году Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company. Спустя несколько лет это предприятие переименовали в извест­нейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).

Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) был первым, кто ус­пешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вы­числительной машины на основе двоичной системы счисления. В 1936 году он начал конструировать вычислительный аппарат, работающий в двоичной системе счисления, который впоследствии был назван Zuse 1 (Z1).

В 1941 году Цузе сумел построить действующую модель Zuse 3, кото­рая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.

Еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изобре­тенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном (Aiken Howard, 1900-1973 гг.), при участии группы инженеров фирмы IBM, была пост­роена в 1944 г. Она была названа ASCC (другое название Mark 1) и была электромеханической (построена на реле), состоящей приблизительно из 750 тысяч компонентов. На умножение она тратила около 4 секунд.

До знакомства с работами Цузе научная общественность считала ма­шину ASCC первой электромеханической машиной.

В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию электрон­ной вычислительной машины. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с К. Берри к 1942 году была построена электронная машина АВС (Atanasoff-Berry Computer).

В 1943 году в Англии была разработана специализированная ЭВМ Colossus, предназначенная для дешифрации секретных сообщений.

Электронная вычислительная машина, разработанная Эккертом и Маучли (John W. Mauchly and J. Prosper Eckert, Jr.) в США в 1946 г., была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1,5 тысяч реле, име­ла вес более 30 тонн, потребляла мощность более 150 кВт.

Первоначально ENIAC программировалась путем соединения прово­дами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программы очень медленным и утомительным занятием. Американский математик и физик венгерского происхожде­ния Джон фон Нейман (1903-1957 гг.) предло­жил хранить програм­му — последовательность команд управления ЭВМ — в памяти ЭВМ, что позволяло оперировать с программой так же, как с данными. Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти с учетом того, что там будет храниться программа.

В докладе фон Неймана, посвящен­ном описанию ЭВМ, выделено пять базо­вых элементов компьютера:

• арифметико-логическое уст­ройство (АЛУ);

• устройство управления (УУ);

• запоминающее устройство (ЗУ);

• система ввода информации;

• система вывода информации.

Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.

Принципы фон Неймана были воплощены полностью в проекте EDVAC в 1951 г. В этой машине уже применялась двоичная арифметика и использовалась оперативная память. С этого момента начинается современная история развития вычислительной техники.

Далее процесс развития вычислительной техники делится на поколения. Поколения зависят от элементной базы, смена элементной базы приводит к смене поколения.

1 поколение (1945-1954 гг.) - время становления машин с фон-неймановской структурой. Создавались машины этого поколения на ламповой элементной базе. Определились с основными элементами ЭВМ: центральный процессор (состоит из арифметико-логического устройства и устройства управления), оперативно-запоминающее устройство, устройства ввода-вывода (внешние, или периферийные устройства).

2 поколение (1955-1964 гг.). Замена ламповой элементной базы на миниатюрные устройства – транзисторы привела к уменьшению габаритов и повышению надежности и производительности ЭВМ. Появились языки высокого уровня. Появились операционные системы.

3 поколение (1965-1970 гг.). Вместо транзисторов стали использовать интегральные микросхемы. Микросхемы позволяли разместить десятки элементов на одной пластине размером в несколько сантиметров. Снизились габариты и стоимость. Появились мини-ЭВМ. Получила развитие наука технологий программирования. Появилась тенденция к созданию семейства ЭВМ, например, IBM System 360 и наш отечественный аналог - ЕС ЭВМ.

4 поколение (1970 - 1984 гг.). Переход на большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Программное обеспечение стало более «дружественным», что повлекло увеличение количества пользователей. Стало возможным создать на одном кристалле (чипе) функционально полную ЭВМ. В начале 1970-х годов фирмой Intel был выпущен первый микропроцессор (все в одном чипе) i4004. Это 4-разрядное параллельное устройство выполняло четыре основных арифметических действия и применялось в карманных калькуляторах.

Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Им стал проект по разработке 8 разрядного процессора i8008 (1972 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд. Именно он был использован при создании персонального компьютера «Альтаир», для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка Basic. Именно с этого момента следует вести отсчет 5-го поколения.

5 поколение можно назвать микропроцессорным. Появление микропроцессоров и создание на их основе микро-ЭВМ, а затем – ПЭВМ.

В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного процессора i8086. На его основе и был построен первый персональный компьютер. Далее следовали поколения этих процессоров: i80286, i80386, i80486 и, наконец, появились современные процессоры Pentium (1993 г.). Различались эти процессоры разрядностью (количеством одновременно обрабатываемых единичных данных), производительностью и т.д. Название Pentium (а не i80586) для последнего из ряда этих процессоров говорит о том, что значительно была изменена его структура (архитектура) и система команд. Сейчас нам уже знакомы Pentium III, IV…

Первая персональная машина была сконструирована американской фирмой MITS и называлась «Altair 8800». По сегодняшним меркам этот компьютер, не имеющий ни монитора, ни клавиатуры, выглядит довольно странно, однако в 1975 г. «Altair» произвел революцию в мире вычислительных машин. Достаточно сказать, что MITS в первый день после анонса «Альтаира» продала машин больше, чем надеялась продать вообще. Удовольствие от обладания своим собственным персональным компьютером стоило тогда около шести тысяч долларов.

Следующая ПЭВМ была создана в буквальном смысле в гараже двумя американцами Стивом Джобсом и Стефаном Возняком в 1976 г. Она получила имя «Apple-I» и представляла собой «конструктор», допускавший, однако, подключение привычных для современного пользователя периферийных устройств. Весной 1977 г. был создан «Apple-II», имевший законченный вид и поступивший в продажу по относительно невысокой цене. Американские компании Commodore и Radio Shack к тому времени уже выпускали похожие небольшие машины, однако роль детонатора на рынке ПЭВМ суждено было сыграть именно «Apple-II». Вскоре в эту область ринулись сотни производителей ВТ, а миллионы пользователей поспешили обзавестись компьютерами, в результате мастерская «двух Стивов» превратилась в корпорацию «Apple Computers», занимающую сегодня достойное место на рынке ПЭВМ.

В начале 80-х годов в ряды производителей ПЭВМ влились такие гиганты, как IBM, Hewlett-Packard и DEC, что не могло не привести к структурным изменениям на рынке. Так, в 1981 году IBM выпустила свою первую удачную 16-разрядную модель IBM PC и с этого момента стала флагманом в производстве не только больших, но и персональных ЭВМ. В 1983 и 1984 гг. появились модели PC XT (eXtended technology) и AT (Advanced technology), которые стали неписаными стандартами в области персональных компьютеров. Многие фирмы начали производство клонов этих машин, улучшая некоторые из их характеристик или снижая стоимость. Единственной фирмой, не свернувшей с намеченного пути и не поддавшейся «давлению» IBM была и остается Apple Computers, по сей день выпускающая собственные конкурентоспособные модели машин. (Хотя последние модели Macintosh все-таки построены на процессорах Intel и используют ОС на базе FreeBSD).

В 1987 году на рынке ПК произошло новое «потрясение» - IBM объявила о создании семейства PS/2, включающего кроме 16-разрядных также и 32-разрядные модели на базе процессора Intel 80386. Однако, несмотря на попытки IBM усилить свои позиции на рынке персональных компьютеров, фирма Compaq без лишнего шума начала выпуск 32-разрядных компьютеров на год раньше и потом очень долгое время опережала IBM в этой сфере.

Итак, датой рождения первого ПК считают август 1981 г, именно тогда публике был представлен первый IBM PC (персональный компьютер фирмы IBM). Вычислительная техника постоянно впитывает в себя самые последние достижения науки и технологий (микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.

В настоящее время ведется разработка ЭВМ следующих поколений, характерными особенностями которых будут способность к самообучению, речевой ввод и вывод информации. Развитие ЭВМ идет по пути непрерывного повышения быстродейст­вия, надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, упрощения правил работы. Скоро на смену электронным приборам придут оптические или биоэлектронные приборы, а современные нам ЭВМ будут казаться будущим пользователям такими же монстрами, какими нам кажутся вычислительные машины 40-х годов двадцатого века.