История развития вычислительных устройств и приборов

1. История развития вычислительных устройств и приборов.

Дисциплина: ОП.06 Архитектура аппаратных
средств
Преподаватель: Дмитриев Владислав Андреевич

2. Цель и задачи

• Цель занятия:
Сформировать представление об основных этапах развития вычислительной
техники, о ключевых изобретениях и их значении для современной
архитектуры ЭВМ.
• Задачи занятия:
Изучить основные этапы развития вычислительных устройств: ручной,
механический, электромеханический, электронный. Познакомиться с
ключевыми изобретениями и именами учёных.

3. Ручной этап: от пальцев до абака

• Ручной этап - это самый длительный период в истории вычислений,
начавшийся на заре человеческой цивилизации и продолжавшийся до XVII
века.
• Основные приспособления:
Пальцы рук и ног - первые «вычислительные устройства»
Камешки, палочки, узелки - для запоминания чисел
Абак (3 век до н.э.) - специальная доска с бороздками
Счёты (16 век, Русь) - «дощаной счёт»
• Принцип работы абака:
Вычисления по разрядам
Позиционная система счисления
Перемещение камешков или костяшек

4. Механический этап: первые вычислительные машины

• Механический этап - это период с 17 по 19 век, когда были созданы первые
механические вычислительные устройства, использующие зубчатые колёса и
рычаги.
• Ключевые изобретения:
1642 г. - Блез Паскаль «Паскалина» (сложение и
вычитание)
1623 г. - Вильгельм Шиккард первая механическая счётная
машина
1673 г. - Готфрид Лейбниц арифмометр (все четыре операции)
19 век - Чарльз Беббидж разностная и аналитическая
машины

5. Чарльз Беббидж и его аналитическая машина

• Чарльз Беббидж (1792–1871) - английский математик,
изобретатель первой программируемой вычислительной
машины.
• Разностная машина (1822):
Предназначена для автоматического вычисления таблиц
Работала на основе метода конечных разностей
• Аналитическая машина (1834):
Первая вычислительная машина с программным
управлением
Состояла из четырёх основных частей:
Часть
Современный аналог
Склад
Память
Мельница
Арифметико-логическое устройство
Устройство управления
Устройство управления
Устройства ввода-вывода
Устройства ввода-вывода
• Ада Лавлейс (1815–1852) - первый программист,
разработала первые программы для машины Беббиджа.

6. Электромеханический этап: табуляторы Холлерита

• Электромеханический этап - это период с конца
19 века до 40-х годов 20 века, когда в
вычислительных устройствах стали использовать
электричество и электромеханические реле.
• Герман Холлерит (1860–1929):
Американский инженер, изобретатель первой
электромеханической счётной машины - табулятора
Основатель фирмы, которая впоследствии стала
IBM
• Табулятор (1888):
Считывал и сортировал статистические записи
Данные кодировались на перфокартах
Использовал электрические реле и счётчики
• Применение:
Перепись населения США (1890) - обработка
данных за 4 недели вместо 7 лет
Статистические исследования в Европе и России

7. Другие изобретения электромеханического этапа

1930 г. - Вэнивар Буш дифференциальный анализатор
1937 г. - Джон Атанасов и
Клиффорд Берри - электронная
машина ABC
1957 г. - в СССР создана РВМ-I
(релейная вычислительная машина)
1944 г. - Говард Айкен - вычислительная
машина MARK-1

8. Электронный этап: ЭНИАК

• Электронный этап - это период с середины 20 века, когда основой вычислительных
машин стали электронные компоненты (лампы, транзисторы, микросхемы).
• ENIAC (1946):
Расшифровка: Electronic Numerical Integrator and Computer
Создатели: Джон Мокли и Джон Преспер Эккерт
Где: Университет штата Пенсильвания, США
Дата: 14 февраля 1946 года - официальное открытие
• Характеристики:
17 468 электронных ламп
7 200 кремниевых диодов
1 500 реле
70 000 резисторов
10 000 конденсаторов
Вес: 27 тонн
Потребляемая мощность: 150 кВт
Производительность: 300 операций умножения или 5 000 операций сложения в секунду

9. Принципы фон Неймана и их реализация

• Джон фон Нейман (1903–1957):
Американский математик и физик венгерского происхождения
В 1945 году сформулировал основные принципы построения
ЭВМ
• Три главных принципа:
Принцип программного управления - программа состоит из команд, которые
выполняются последовательно
Принцип однородности памяти - команды и данные хранятся в одной и той
же памяти
Принцип адресности - каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес
• Реализация:
Впервые реализованы в машине EDVAC (1951)
Стали основой для всех последующих ЭВМ

10. Поколения ЭВМ

• Поколение ЭВМ -это этап развития вычислительной техники,
характеризуется общим типом элементной базы, архитектуры и
программного обеспечения.
• Пять поколений ЭВМ:
Поколение
Период
Элементная база
I
1946–1955
Электронные лампы
II
1955–1964
Транзисторы
III
1965–1974
Интегральные схемы
IV
1975–1985
Микропроцессоры
V
с 1985
Параллельные вычисления, ИИ

11. Первое поколение ЭВМ (1946–1955)

• Элементная база: Электронные лампы
• Характеристики:
Огромные габариты (занимали целые залы)
Высокое энергопотребление
Низкая надёжность (лампы часто перегорали)
Программирование в машинных кодах
Быстродействие: 10–20 тыс. операций в секунду
• Примеры:
ENIAC (1946, США)
EDVAC (1951, США)
МЭСМ (1951, СССР) — первая советская ЭВМ

12. Второе поколение ЭВМ (1955–1964)

• Элементная база: Транзисторы
• Транзистор - это полупроводниковый прибор, который может усиливать или
переключать электрические сигналы. Он заменил электронные лампы.
• Характеристики:
Меньшие габариты
Ниже энергопотребление
Выше надёжность
Появление языков программирования (Фортран, Кобол)
Быстродействие: 100–500 тыс. операций в секунду
• Примеры:
IBM 7090 (1959, США)
БЭСМ-6 (1967, СССР)

13. Третье поколение ЭВМ (1965–1974)

• Элементная база: Интегральные схемы
• Интегральная схема - это микроминиатюрное электронное устройство, все
элементы которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между
собой электрически.
• Характеристики:
Малые габариты
Высокая надёжность
Появление операционных систем
Появление мини-ЭВМ
Быстродействие: 1–10 млн операций в секунду
• Примеры:
IBM System/360 (1964, США)
ЕС ЭВМ (СССР)

14. Четвёртое поколение ЭВМ (1975–1985)

• Элементная база: Микропроцессоры
Микропроцессор - это процессор, выполненный на одном
кристалле интегральной схемы.
• Ключевые события:
1971 г. - Intel выпускает первый
1976 г. - Apple I - первый
микропроцессор Intel 4004
персональный компьютер
1981 г. - IBM PC - стандарт
персонального компьютера
• Характеристики:
Персональные компьютеры
Доступность для широких масс
Графический интерфейс
Быстродействие: сотни миллионов операций в секунду
1985 г. - Intel 386 - 32разрядный процессор

15. Пятое поколение ЭВМ (с 1985)

• Элементная база: Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), параллельные
вычисления
• Характеристики:
Многоядерные процессоры
Параллельные вычисления
Искусственный интеллект
Нейронные сети
Мобильные устройства
Облачные вычисления
Интернет вещей (IoT)
• Примеры:
Смартфоны и планшеты
Суперкомпьютеры
Серверы дата-центров
Встроенные системы

16. Тенденции развития вычислительной техники

• Основные тенденции:
Миниатюризация - уменьшение размеров компонентов
Увеличение производительности - рост быстродействия
Снижение энергопотребления - экономия энергии
Увеличение объёма памяти - рост объёмов хранения
Снижение стоимости - доступность для всех
Интеллектуализация - внедрение ИИ
Сетевое взаимодействие - объединение у
стройств
• Закон Мура: Количество
транзисторов на кристалле
удваивается каждые два года.

17. Значение истории вычислительной техники

Понимание логики развития - почему компьютер устроен именно так
Связь с архитектурой - принципы фон Неймана, магистрально-модульный
принцип
Уроки для будущего - как технологии меняют общество
Профессиональная эрудиция - знание истории отличает специалиста
• Ключевые выводы:
Каждое изобретение решало конкретную проблему
Прогресс ускоряется с каждым поколением
Принципы остаются, технологии меняются

18. Закрепление материала

• Вопросы для самоконтроля:
1.Что такое абак? Когда и где он появился?
2.Кто создал первую механическую счётную машину?
3.В чём отличие машины Паскаля от машины Лейбница?
4.Что такое аналитическая машина Беббиджа? Из каких частей она состояла?
5.Кто такая Ада Лавлейс? Почему её называют первым программистом?
6.Что такое табулятор Холлерита? Как он использовался?
7.Когда и где был создан ENIAC? Каковы его характеристики?
8.Назовите три главных принципа фон Неймана.
9.Сколько поколений ЭВМ выделяют? Назовите их.
10.Какова элементная база каждого поколения?
11.Что такое закон Мура?
12.Назовите основные тенденции развития вычислительной техники.

19. Итоги занятия

Ручной этап - пальцы, камешки, абак, счёты
Механический этап - Паскаль, Лейбниц, Беббидж, Ада Лавлейс
Электромеханический этап - Холлерит, табулятор, MARK-1
Электронный этап - ENIAC, принципы фон Неймана
Поколения ЭВМ - от ламп до микропроцессоров
Тенденции развития - миниатюризация, рост производительности, ИИ
• вывод:
История вычислительной техники - это путь от простых счётных устройств до
сложнейших компьютеров. Понимание этого пути помогает понять
современную архитектуру ЭВМ и предвидеть будущее.