Компьютер как современное техническое средство обработки информации

На разных этапах развития техники и технологии были приняты следующие названия для компьютеров: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), компьютер.

Создание электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в середине XX в. можно отнести к числу самых выдающихся достижений в истории человечества. ЭВМ в значительной степени расширили интеллектуальные возможности человека и за сравнительно короткий срок (немногим более 50 лет) превратились в один из определяющих факторов научно-технического прогресса. Многие крупные научно-технические проекты нашего времени, как, например, атомная энергетика, космические исследования, глобальные экологические проблемы, не могли бы успешно развиваться без применения ЭВМ. Широкое применение компьютеров способствует появлению новых методов познания законов природы, их использованию в практической деятельности и, следовательно, превращению науки в производительную силу общества. На протяжении трех последних десятилетий вычислительная техника все стремительнее и шире охватывает различные сферы человеческой деятельности. Существует много причин столь бурного развития вычислительной техники. Оно стимулируется разработкой програмного обеспечения, которое требует создания более совершенной аппаратуры, что в свою очередь служит предпосылкой для возникновения высокопроизводительных программ. Существенное снижение стоимости оборудования, обусловленное не только техническим прогрессом, но и массовым характером производства, явилось предпосылкой для широкого внедрения вычислительной техники во все сферы человеческой деятельности.

История использования механических и полуавтоматических средств для арифметических операций насчитывает не одно тысячелетие. Время возникновения счетов теряется в глубине веков, а некоторые виды вычислительных устройств были созданы, по-видимому, в Древней Греции. В 1642г. французский математик Блез Паскаль (1623-1662) сконструировал арифмометр, позволивший механически выполнять четыре арифметических действия. Впоследствии он использовался для выполнения достаточно сложных расчетов (например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб).

Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646- 1716) описал в общих чертах то, что теперь называется программой автоматизации мышления. В 1692 г. он изобрел механическую счетную машину, умеющую не только складывать, но и умножать. Англичанин Чарльз Бэббидж(1792-1871) впервые ясно представил себе универсальную вычислительную машину с гибкой схемой программирования и запоминающим устройством. В 1833 г. он дал описание устройства, названного им аналитической машиной. Такая машина должна была уметь исполнять программы: точную последовательность определенных инструкций, записанных в порядке выполнения на языке, понятном машине. Программы вводились с помощью перфокарт - карт из плотного материала, на которых информация представлена в виде комбинации отверстий и должны были иметь «склад» (память в современной машине) для запоминания данных и промежуточных результатов. Однако эта машина оказалась слишком сложной для техники того времени.

Первая половина XX в. ознаменовалась последовательным развитием и внедрением многих вычислительных устройств. Значительный вклад в эту область внес английский математик Алан Матисон Тьюринг (1912-1954). Машина Тьюринга была лишь теоретическим построением и никогда серьезно не рассматривалась как экономически приемлемая машина (которая работала бы недопустимо медленно), но она привлекла внимание исследователей к вопросу о возможности создания универсальной вычислительной машины.

В 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе уже созданных к этому времени электромеханических реле смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину, названную «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который построил вычислительную машину в 1941 г.

Существенный прогресс в создании первых вычислительных машин (ЭВМ) в XX в. был достигнут за счет применения электронных ламп. Начиная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать машину на основе электронных ламп, которая была построена для баллистических расчетов в 1946 г. и названа ЭНИАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Computer, т.е. электронный числовой интегратор и вычислитель). Схема работы этой машины была рассчитана на выполнение конкретной последовательности вычислений. Для другой последовательности схему нужно было практически монтировать заново, что требовало много времени.

Один из выдающихся математиков нашего столетия Джон фон Нейман (1903-1957) разработал принципы построения логической схемы вычислительной машины, способной использовать гибкую запоминаемую программу, которую можно было бы изменять, не перестраивая всей схемы машины. Предложенные им принципы легли в основу построения универсальных по своему применению электронных машин. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом.

Компьютеры 40-х и 50-х годов были очень большими - огромные залы были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Все это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным компаниям и учреждениям. Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров стал возможен с изобретением в 1948 г. транзисторов - миниатюрных электронных приборов, которые смогли заменить в компьютерах электронные лампы. В середине 50-х годов были найдены очень дешевые способы производства транзисторов, и во второй половине 50-х годов появились компьютеры, основанные на транзисторах. Они были в сотни раз меньше ламповых такой же производительности. Единственная часть компьютера, где транзисторы не смогли заменить электронные лампы, - это блоки памяти, но там вместо ламп стали использовать изобретенные к тому времени схемы памяти на магнитных сердечниках.

К середине 60-х годов появились и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник. Но к тому времени был подготовлен еще один шаг к миниатюризации компьютеров - были изобретены интегральные схемы.

До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и спаивать вручную. В 1958 г. Джек Килби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. В 1959г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти.

В том же году был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру - Маршиан Эдвард Хофф из той же фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Так появился первый микропроцессор. Возможности Intel-400 были куда скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ: он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно). Но в 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel-8008, а в 1974г. - его усовершенствованную версию Intel-8080, которая до конца 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Вначале эти микропроцессоры использовались только электронщиками-любителями и в различных специализированных устройствах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 компьютера - устройства, выполняющего те же функции, что и большая ЭВМ. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый компьютер Альтаир-8800, построенный на основе микропроцессора Intel-8080. Хотя возможности его были весьма ограниченны (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом. Покупатели этого компьютера снабжали его дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров.

Успех фирмы Intel заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Появилось и несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы, разработанные для деловых применений. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти и многие другие программы сделали для делового мира покупку компьютеров весьма выгодным вложением денег: с их помощью стало возможно значительно эффективнее выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. В результате оказалось, что для многих организаций необходимые им расчеты можно было выполнять не на больших ЭВМ или мини-ЭВМ, а на персональных компьютерах, что значительно дешевле.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. она решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент. Разработчикам было разрешено не конструировать персональный компьютер с нуля, а использовать блоки, изготовленные другими фирмами.

В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Его использование помогло значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мб памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кб. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC (читается - Ай-Би-Эм Пи-Си) был официально представлен, и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров. Фактически IBM PC стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют более 90 % всех производимых в мире персональных компьютеров.

Если бы IBM PC был сделан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года. Но в IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору, причем методы сопряжения устройств с компьютером IBM PC не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил небывалый успех компьютеру IBM PC.

На основной электронной плате компьютера IBM PC (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера - монитором, дисками, принтером и т. д., реализованы на отдельных платах (контроллерах), которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате - слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус - системный блок.

Открытость заключается в том, что для IBM PC-совместимых компьютеров все спецификации взаимодействия внешних устройств с контроллерами, контроллеров с системной платой (точнее, шиной) и т.д. доступны всем желающим. Это положение сохраняется по сей день, хотя с той поры в конструкцию IBM PC-совместимых компьютеров было внесено много нововведений.

В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT, имеющий встроенный жесткий диск (рис. 17), в 1985 г. - компьютер IBM PC AT на основе нового микропроцессора Intel-80286, работающий в 3-4 раза быстрее IBM PC XT.

Рис. 17. Жесткий диск