I поколение ЭВМ (1946 — 1958)

ЭВМ первого поколения появились в 1946 году. Они были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными — лампы приходилось часто менять. Для ввода-вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

Компьютеры данного поколения сумели зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, энергетических задач, задач военного характера и других сложнейших операциях, но они были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами. Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими.

ENIAC

15 февраля 1946 года в Филадельфии в университете штата Пенсильвания (США) была официально введена в эксплуатацию электронная цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator — электронный численный интегратор и вычислитель), на электронных лампах, построенная американскими электроинженерами Дж.П. Эккертом и Дж. Мокли и использовавшая в качестве переключающих элементов 18 тысяч электронных ламп и 1500 реле. Машина с памятью на 20 слов, способная за полсекунды перемножать одно на другое 5000 пятизначных чисел, занимала площадь около 200 квадратных м и весила 50 т. ENIAC предназначался для проведения артиллерийских расчетов, однако пока его строили, война закончилась, задачи такого рода отпали, так что первой работой стали расчеты по верхсекретному Манхэттенскому проекту (программе разработок ядерного оружия). Впоследствии ЭВМ перевезли на один из военных полигонов, где она функционировала до 1955 года.

МЭСМ (Малая электронная счётная машина)

В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ- Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20 разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах. Она имеет около 6000 электровакуумных ламп (около 3500 триодов и 2500 диодов), занимает площадь 60 м2, потребляет мощность около 25 кВт.

II поколение ЭВМ (1958 — 1964)

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить

40 электронных ламп и работает с большей скоростью.

Эти дискретные транзисторные логические элементы со временем вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты («БЭСМ-6», «Минск-2″,»Урал-14») и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языко в на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

III поколение ЭВМ (1964 — 1972)

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых, основанных на интегральных схемах.

В 1960 г. появились первые интегральные схемы (микросхемы), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Интегральная схема — это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. Одна такая схема способна заменить десятки тысяч транзисторов, один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный «Эниак». А компьютер с использованием интегральных схем достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы, обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360) на микросхемах, ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Впоследствии были выпущены и другие машины на интегральных — семейство IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

IV поколение ЭВМ (c 1972г. по настоящее время)

Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см2.). БИСы применялись уже в таких компьютерах, как «Иллиак», «Эльбрус», «Макинтош». Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 — 64 Мбайт.

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. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые ПК.

В 1981 году она выпустила свой первый микрокомпьютер IBM PC с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088 фирмы Intel. Этот компьютер был оборудован монохромным текстовым дисплеем, двумя дисководами для 5-дюймовых дискет на 160 Кбайт, оперативной памятью 64 Кбайта. По поручению IBM фирма Microsoft разработала для IBM PC собственную операционную систему.

Персональный компьютер

Персональный компьютер — компьютер, специально созданный для работы в однопользовательском режиме. Появление персонального компьютера прямо связано с рождением микрокомпьютера. Очень часто термины «персональный компьютер» и «микрокомпьютер» используются как синонимы.

ПК использует микропроцессор (интегральная схема) в качестве единственного центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Эти компьютеры относят к вычислительным машинам четвертого и пятого поколения. Помимо ноутбуков, к переносным микрокомпьютерам относят и карманные компьютеры — палмтопы. Основными признаками ПК являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей.

V поколение ЭВМ и суперкомпьютеры

Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ V поколения. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие «интеллектуализации» компьютеров — устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальными знаниями в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях.

Суперкомпьютеры

Однако мощности будут продолжать расти. Это необходимо для решения глобальных задач, таких как расчет аэродинамики автомобилей и свойств разнообразных наноструктур, ЗD-моделирование. ЭВМ, имеющие максимальную производительность, называются суперкомпьютерами. Сверхмощные компьютеры также относят к 5 поколения компьютеров.

На сегодняшний день производительность нового самого мощного суперкомпьютера в мире IBM Roadrunner составила 1,026 петафлопс (FLOPS (акроним от англ. Floating point Operations Per Second) — величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система). Ранее самым мощным считался суперкомпьютер IBM BlueGene/L с производительностью 0,478 петафлопс.

На Roadrunner в Лос-Аламосской национальной лаборатории американские военные будут решать задачи, связанные с ядерным оружием. В частности, моделировать первые секунды ядерного взрыва.

До момента передачи суперкомпьютера в руки военных ученые воспользуются возможностями IBM Roadrunner для моделирования климатических изменений.

Тема 1.1 Основные сведения об электронно-вычислительной технике

Содержание

Классификация ЭВМ по принципу действия

Компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса являются форма представления информации, с которой они работают.

• ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

• АВМ — вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

• ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Рисунок 1.1.1 — Две формы представления информации в машинах: а – аналоговая; б – цифровая импульсная

Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

Наиболее широкое распространение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами.

Классификация ЭВМ по этапам создания

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

• Первое поколение, 50-е годы; ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

• Второе поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

• Третье поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).

• Четвертое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном

• Пятое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

• Шестое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ является:

• высокая производительность;

• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления;

• обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

• большая емкость оперативной памяти;

• развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.К таким компьютерам также относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль за состоянием бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.

Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие, большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);
• способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);
• типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
• способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);
• система и структура машинных команд;
• возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
• эксплуатационная надежность ЭВМ;
• коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Рисунок 1.1.2 — Схема классификации ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Первая большая ЭВМ ЭНИАК была создана в 1946 году. Эта машина имела массу более 50 т., быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью 100 кв.м.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

К СуперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду.

Типовая модель суперЭВМ 2000 г. по прогнозу будет иметь следующие характеристики:

• высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100000 MFLOPS;
• емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1 – 10 Тбайт (или 1000 Гбайт);
• разрядность 64; 128 бит.

Фирма Cray Research намерена в 2000 г. создать суперЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1000000 MFLOPS.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным в виду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

• магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD)
• векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD).
• матричные МПВС, в которых микропроцессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных (МКМД или MIMD).

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

• структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs
• параллельно-конвейерная модификация, иначе, MMISD, т.е. многопроцессорная MISD- архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»).
• параллельно-векторная модификация, иначе, MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура, поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujistu, NEC, Hitachi и др.)

Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп:

• Центральный Процессор — основной блок ЭВМ, в котором непосредственно и происходит обработка данных и вычисление результатов. Обычно центральный процессор представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении, в котором соблюдаются повышенные требования по температуре, влажности, защищенности от электромагнитных помех, пыли и дыма.

• Группа системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы. Работников этой группы называют системными программистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физическими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием, то есть группа системного программирования обеспечивает программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

• Группа прикладного программирования занимается созданием программ для выполнения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют прикладными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного программирования обеспечивает пользовательский интерфейс вычислительной системы.

• Группа подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотрудники этой группы сами вводят данные с помощью клавиатуры, но они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Так, например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками на бумаге, и преобразовывать их в электронный вид с помощью специальных устройств, называемых сканерами.

• Группа технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений.

• Группа информационного обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. Эта же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или банками данных.

• Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается на печатающих устройствах (принтерах) или отображается на экранах дисплеев.

К мейнфреймам относятся, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

• производительность не менее 10 MIPS;
• основную память емкостью от 64 до 10000 MIPS;
• внешнюю память не менее 50 Гбайт;
• многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мейнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление – использование мейнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.

Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM.

Среди лучших современных разработок мейнфреймов за рубежом в первую очередь следует отметить: американский IBM 390, IBM 4300, (4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 году, и IBM ES/9000, созданные в 1990 году, а также японские компьютеры M 1800 фирмы Fujitsu.

Надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мейнфреймами возможностями и, соответственно меньшей стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной. Мини-ЭВМ (и наиболее мощные из них супермини-ЭВМ) обладают следующими характеристиками:

• производительность до 100 MIPS;
• емкость основной памяти – 4-512 Мбайт;
• емкость дисковой памяти — 2-100 Гбайт;
• число поддерживаемых пользователей – 16-512.

Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаративная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью, лучше, чем у мейнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений.

Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.

Мини-ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами. Например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочие места, управлять гибкими автоматизированными линиями и промышленными роботами, собирать информацию с инструментальных постов технического контроля и сигнализировать о необходимости замены изношенных инструментов и приспособлений, готовить данные для станков с числовым программным управлением, а также своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования. Например, он может помогать экономистам в осуществлении контроля за себестоимостью продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

Наряду с использованием для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяется для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с микроЭВМ, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям.

Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают системные и прикладные программы, они могут вносить в них изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует высокой квалификации и универсальных знаний. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно.

Можно привести следующую классификацию микроЭВМ:

Универсальные

Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Персональные компьютеры(ПК) – однопользовательские микроЭВМ удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. Пеpсональный компьютеp должен удовлетворять следующим требованиям:

• стоимость от нескольких сотен до 5-10 тысяч доллаpов;
• наличие внешних ЗУ на магнитных дисках;
• объём оперативной памяти не менее 4 Мбайт;
• наличие операционной системы;
• способность работать с программами на языках высокого уровня;
• ориентация на пользователя-непрофессионала (в простых моделях).

Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время командировок.

Основные разновидности портативных компьютеров:

Laptop (наколенник, от lap — колено и top — поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD-ROM. Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.

Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).

Специализированные

Рабочие станции представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.)

Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции, для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры. К таким задачам, например, относится предварительная подготовка данных.

Серверы – многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.

Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ.

Сервер – выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.

Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее «узких» мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.

Файл-сервер ( File Server ) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах RAID емкостью до 1 Тбайта.

Архивационный сервер (сервер резервного копирования, Storage Express System ) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (естественно, с составлением каталога архива).

Факс-сервер ( Net SatisFaxion ) – выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факс-модемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.

Почтовый сервер ( Mail Server ) – то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

Сервер печати ( Print Server , Net Port ) предназначен для эффективного использования системных принтеров.

Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видеоизображений и др.

Рабочей станцией называется совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для решения профессиональных задач. Это специализированный высокопроизводительный компьютер для тех, кому необходима надежная и производительная система, гарантирующая стабильную и эффективную работу приложений. Использование рабочих станций позволяет вывести ваше предприятие на новый профессиональный уровень вне зависимости от того, в какой области вы развиваетесь.

Рабочие станции решают широкий спектр задач:

• Инженерно-технические задачи – 3D-проектирование и конструирование, расчетные работы.
• Профессиональная работа с трехмерной графикой – визуализация, 3D-моделирование, мультипликация, спецэффекты.
• Цифровая обработка фото и видео материала — верстка, монтаж, дизайн.
• Работа с большими объемами данных – статистика, аналитика, прогнозирование.

• Эффективность

Решения, использующие последние технологии, позволяют рабочим станциям более эффективно справиться с высокими вычислительными нагрузками. Рабочие станции адаптированы на решение профессиональных задач за счет оптимизации как аппаратной части, так и драйверов.

Повышенная надежность достигается за счет использования только высококачественной компонентной базы, длительному стресс-тестированию на этапе разработки и тотальному контролю качества при производстве изделия.

• Специализация

Отдельным сегментом в линейке рабочих станций являются графические станции, оснащаемые профессиональными видеоадаптерами, созданными специально для решения профессиональных задач, связанных со сложной визуализацией, конструированием и 3D-моделированием, разработкой и производством, созданием медиа контента и научной деятельностью.

• Адаптация к программному обеспечению

Графические станции проходят тестирование и сертифицирование на совместимость и эффективную работу с приложениями от ведущих разработчиков профессионального профильного программного обеспечения, таких как Catia и SolidWorks от Dassault Systemes, AutoCAD и Inventor от Autodesk, Компас 3D от Аскон, ProEngineer от ProTechnologies, NX от Siemens PLM Software, с продуктами компаний ANSYS, Adobe и многих других.

• Возможности расширения

Платформы рабочих станций предоставляют большую гибкость в модернизации. Большее количество слотов PCI и PCI-E дает возможность установки профильных плат расширения. Большее количество слотов памяти и возможность установки второго процессора в двухпроцессорных системах увеличивает диапазон выбора производительности.

Конечно, вышеприведенная классификация весьма условна, ибо мощный современный персональный компьютер, оснащенные проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательная микроЭВМ, и как хороший сервер, но по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ.

Как устроено IT. Пост 2. АВМ — аналоговая вычислительная машина.

Здравствуйте, представляю вашему внимаю третий пост из серии «О том как устроено IT». Но сначала пару новостей. Во-первых, серия из «О том как устроено IT» переименована в «Как устроено IT», это связано со второй новостью. Во-вторых, появился тег «Как устроено IT», можете подписаться на него, для того чтобы видеть посты этой серии. С предисловием на этом все приятного чтения.

Аналоговая вычислительная машина — это вычислительная машина, которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифровой ЭВМ (электронная вычислительная машина).

Другим принципиальным отличием является отсутствие у АВМ хранимой программы, под управлением которой с помощью одной и той же вычислительной машины можно решать разнообразные задачи. Решаемая задача (класс задач) жёстко определяется внутренним устройством АВМ и выполненными настройками (соединениями, установленными модулями, клапанами и т. п.). Даже для универсальных АВМ для решения новой задачи требовалась перестройка внутренней структуры устройства.

При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.

Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.

Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на различные изменения во входных данных. Такого рода компьютеры широко используются в научных исследованиях. Например, в таких науках, в которых недорогие электрические или механические устройства способны имитировать изучаемые ситуации.

В ряде случаев с помощью аналоговых компьютеров возможно решать задачи, меньше заботясь о точности вычислений, чем при написании программы для цифровой ЭВМ. Например, для электронных аналоговых компьютеров без проблем реализуются задачи, требующие решения дифференциальных уравнений, интегрирования или дифференцирования. Для каждой из этих операций применяются специализированные схемы и узлы, обычно с применением операционных усилителей. Также интегрирование легко реализуется и на гидравлических аналоговых машинах.

Аналоговые электронные компьютеры основываются на задании физических характеристик их составляющих. Обычно это делается методом включения-исключения некоторых элементов из цепей, которые соединяют эти элементы проводами, и изменением параметров переменных сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей в цепях.

Автомобильная автоматическая трансмиссия является примером гидромеханического аналогового компьютера, в котором при изменении вращающего момента жидкость в гидроприводе меняет давление, что позволяет получить необходимый конечный коэффициент передачи.

До появления мощной и надёжной цифровой аппаратуры аналоговые вычислители широко применялись в авиационной и ракетной технике, для оперативной обработки различной информации и последующего формирования сигналов управления в автопилотах и различных более сложных системах автоматического управления полётом, или другими специализированными процессами.

Помимо технических применений (автоматические трансмиссии, музыкальные синтезаторы), аналоговые компьютеры используются для решения специфических вычислительных задач практического характера. Например, кулачковый механический аналоговый компьютер, изображённый на фото, применялся в паровозостроении для аппроксимации кривых 4 порядка с помощью преобразований Фурье.

Механические компьютеры использовались в первых космических полётах и выводили информацию с помощью смещения индикатора поверхностей.

В военной технике исторически выработалось ещё одно название аналоговых вычислительных устройств для управления огнём артиллерии, высотного бомбометания и других военных задач, требующих сложных вычислений — это счётно-решающий прибор. Примером может служить прибор управления зенитным огнём.

Аналоговая техника интересна для военных двумя чертами: она крайне быстра, и в условиях помех работоспособность машины восстановится, как только помеха пропадёт.

Сейчас аналоговые компьютеры в основном уступили своё место цифровым технологиям.

Мозг человека — самое мощное и эффективное «аналоговое устройство» из существующих. И хотя передача нервных импульсов происходит за счет дискретных сигналов, информация в нервной системе не представлена в цифровом виде. Нейрокомпьютеры — аналоговые, гибридные компьютеры (модели, реализованные на цифровых ЭВМ), построенные на элементах, которые работают аналогично клеткам мозга.

АВМ механическая

Аналоговая вычислительная машина, в которой машинные переменные воспроизводятся механическими перемещениями. При решении задач на АВМ данного типа необходимо, кроме масштабирования переменных, производить силовой расчет конструкции и расчет мертвых ходов. Достоинствами механических АВМ являются высокая надежность и обратимость, позволяющая воспроизводить прямые и обратные математические операции. Недостатки АВМ такого типа — высокая стоимость, сложность изготовления, большие габариты и вес, а также низкий коэффициент эффективности использования отдельных вычислительных блоков. Механические АВМ применяют при построении высоконадежных вычислительных устройств.

АВМ пневматическая

Аналоговая вычислительная машина, в которой переменные представлены в виде величин давления воздуха (газа) в различных точках специально построенной сети. Элементами такой АВМ являются дроссели, ёмкости и мембраны. Дроссели играют роль сопротивлений, могут быть постоянными, переменными, нелинейными и регулируемыми. Пневматические ёмкости представляют собой глухие или проточные камеры, давление в которых вследствие сжимаемости воздуха растет по мере их наполнения. Мембраны используются для преобразования давления воздуха.

В 1960-х годах разрабатывались для получения средства дискретных вычислений с высокой радиационной стойкостью. Были разработаны элементы, выполняющие основные логические операции и элементы памяти без механических подвижных элементов.

Такие элементы очень долговечны, поскольку в них практически отсутствуют подвижные части, и, как следствие, нечему ломаться. В случае засорения каналов логические матрицы легко разбираются и промываются. Работает пневмокомпьютер от промышленной пневмосети.

Сейчас пневмокомпьютеры используются в отраслях промышленности, где требуется повышенная вибрационная стойкость, работоспособность в очень широком диапазоне температур или требуется управление пневматическими силовыми устройствами. В последнем случае устраняется необходимость в преобразователях электрического сигнала в перемещение. Это — роботы и автоматика, работающие в металлургии, в горнорудной промышленности. Известны случаи управления элементами авиационных двигателей, автоматикой ракетных систем, силовыми приводами вертолетов и самолетов. Существует также целая категория производств, агрегатов и установок, где применение электричества, даже самых низких напряжений, очень нежелательно. Это химия органических соединений, нефтеперегонные заводы, подземная добыча угля и руды. Они широко используют пневматическую автоматику.

Гидравлические АВМ

В. С. Лукьянов в 1934 году предложил принцип гидравлических аналогий и в 1936 году реализовал первый «гидравлический интегратор» — устройство, предназначенное для решения дифференциальных уравнений, действие которого основано на протекании воды. В дальнейшем подобные устройства применялись в десятках организаций и использовались до середины 1980-х годов

Трехмерный экспериментальный гидроинтегратор Лукьянова

Первые экземпляры были скорее экспериментальными, были сделаны из жести и стеклянных трубок, и каждый мог использоваться для решения только одной задачи. В 1941 году Лукьяновым был создан гидравлический интегратор модульной конструкции, который позволял собрать машину для решения разнообразных задач. В 1949 году Уильям Филлипс создал гидравлический компьютер MONIAC.

В настоящее время два гидроинтегратора Лукьянова хранятся в Политехническом музее.

MONIAC был аналоговым компьютером, который использовал флюидику (струйную логику) для моделирования процессов экономики. Название MONIAC, видимо, появилось по ассоциации с ENIAC (одной из первых ЭВМ) и англ. money

Сам компьютер состоял из ряда прозрачных пластиковых емкостей и труб, которые крепились к деревянной доске. Каждый бак представлял какой-либо аспект национальной экономики Великобритании. Денежный поток демонстрировался цветной водой. В верхней части доски был большой резервуар, который назывался казной. Вода (представляющая деньги) протекала из казны в другие резервуары, представляющие различные способы расхода денег. Например, были баки, которые «отвечали» за здравоохранение и образование. Для увеличения расходов на здравоохранение следовало открыть кран для слива воды из казны в бак, который «олицетворял» расходы на здравоохранение. Далее вода текла в другие баки, представляющие другие взаимодействия в экономике. Вода могла закачиваться обратно в казну из некоторых баков, представлявших налоги. Изменения налоговых ставок были смоделированы путём увеличения или уменьшения мощности насоса.

С помощью тех же принципов моделировались сбережения и доход от инвестиций. Расход воды автоматически контролировался через серию поплавков, противовесов, электродов и проводов. Когда уровень воды в баке достигал определенного уровня, включались соответствующие насосы.

К своему удивлению, создатели обнаружили, что MONIAC можно откалибровать с точностью до ± 2 %.

Поток воды между емкостями определялся экономическими принципами и настройкой параметров. Экономические показатели (например, налоговые ставки и инвестиционный курс) вводились установкой клапанов, которые контролировали поток воды в компьютере. Оператор мог экспериментировать с различными настройками и наблюдать за их влиянием на модель. Благодаря своей способности моделировать тонкое взаимодействие целого ряда параметров, MONIAC стал весьма мощным инструментом для своего времени.

Если подбор параметров приводил к «жизнеспособной экономике», то состояние компьютера стабилизировалось, и можно было получить результаты подсчётов.

MONIAC предназначался для использования в качестве учебного пособия, но оказался эффективным и в качестве экономического симулятора. Во время создания MONIAC ещё не было цифровых компьютеров, которые могли бы осуществлять сложное экономическое моделирование. Использование нескольких существовавших в 1949 году компьютеров было ограничено государственными и военными нуждами. Кроме того, у них не было достаточных возможностей визуального отображения, и они не могли иллюстрировать работу сложных моделей. Наблюдая за работой MONIAC, студенты могли гораздо проще понять взаимосвязанные процессы в экономике. Судя по списку организаций, которые приобрели этот компьютер, MONIAC использовался и как учебное пособие, и как симулятор.

Электрические АВМ

Это аналоговые вычислительные машины, в которых переменные представляются электрическим напряжением постоянного тока. Получили широкое распространение в связи с высокой надёжностью, быстродействием, удобством управления и получения результатов.

Теперь о представителя данного класса ВМ.

FERMIAC или Тележка Монте-Карло — аналоговый компьютер, изобретённый физиком Энрико Ферми для изучения перемещения нейтронов.

FERMIAC использует Метод Монте-Карло для моделирования переноса нейтронов в различных типах ядерных систем. С учетом начального распределения нейтронов, целью процесса является создание многочисленных «родословных нейтронов», или моделей поведения отдельных нейтронов, в том числе каждого столкновения, рассеяния и деления.

Специализированная АВМ, предназначенная для решения линейных краевых задач систем линейных дифференциальных уравнений. Разработана в Институте кибернетики АН УССР в 1962 году.

Семейство аналоговых вычислительных машин. Название является аббревиатурой слов «модель нелинейная». Были предназначены для решения задач Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений.

Найдены дубликаты

Вспомнилась шифровалка из «Код Энигма»

Точно. Только не шифровалка а дешифровалка.

Я полагаю, там машина была таки дискретная. Т.е. больше цифровая, чем аналоговая.

Как устроено IT. Пост 3. Перфокарты

В этом посте я расскажу о истории и принципе работы перфокарт.

Слово перфокарта произошло от двух латинских слов: perforo — пробиваю и charta — лист из папируса; бумага. носитель информации из тонкого картона, представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты. Наиболее широко перфокарты применялись во второй половине XX века для ввода и хранения данных в системах автоматизированной обработки информации. В настоящее время, как и перфолента, практически вытеснены более компактными, быстрыми и удобными полупроводниковыми, магнитными и оптическими носителями.

Cоветский вариант перфокарты IBM, 1980 г.

Перфокарты впервые начали применяться в ткацких станках Жаккарда (1808) для управления узорами на тканях. В информатике перфокарты впервые были применены в «аналитической машине» Бэббиджа и в «интеллектуальных машинах» коллежского советника С. Н. Корсакова (1832), механических устройствах для информационного поиска и классификации записей. В конце XIX в. началось использование перфокарт для обработки результатов переписей населения в США

Существовало много разных форматов перфокарт; наиболее распространённым был «формат IBM», введённый в 1928 г. — 12 строк и 80 колонок, размер карты 187,325 × 82,55 мм. Первоначально углы были острые, а с 1964 г. — скруглённые. Примечательно, что по приблизительным подсчётам, гигабайт информации, представленной в виде перфокарт, весил бы примерно 22 тонны.

Перфокарта, формат IBM

Поздний европейский вариант перфокарты IBM

Компьютеры первого поколения, в 1920-х—1950-х годах, использовали перфокарты в качестве основного носителя при хранении и обработке данных. Затем, в течение 1970-х — начале 1980-х годов, они использовались только для хранения данных и постепенно были замещены магнитными лентами. В настоящее время перфокарты не используются нигде, кроме устаревших систем, однако оставили свой след в компьютерной технике: отображаемый по умолчанию текстовый видеорежим дисплеев подавляющего большинства компьютерных устройств содержит по горизонтали 80 знакомест, ровно столько, сколько их было на стандартной перфокарте. Главным преимуществом перфокарт было удобство манипуляции данными — в любом месте колоды можно было добавить карты, удалить, заменить одни карты другими (то есть фактически выполнять многие функции, позже реализованные в интерактивных текстовых редакторах).

В 2011 году в США всё еще существовала компания Cardamation, поставлявшая перфокарты и устройства для работы с перфокартами. Об использовании перфокарт в современных организациях сообщалось в 1999 и 2012 годах.

А теперь о принципе работы. Перфокарта может считываться в двух режимах: двоичном и текстовом.

При работе с перфокартой в двоичном режиме, каждая ячейка интерпретируется как бит, в значении 0 или 1. Например, если ячейка пробита — 1, иначе 0. Комбинацией 0 и 1, составляются машинные слова. Машинное слово — это какая то команда ЭВМ, на совершение действия. Например команда на сложение двух чисел, или вычитание, на вывод переменной на другую перфокарты или на экран. У разных ЭВМ разная длина машинного слова, например, в системах IBM 701 машинное слово состояло из 36 бит; при записи данных на перфокарты в одной строке пробивок записывалось 2 машинных слова (последние 8 колонок не использовались), всего на одну перфокарту можно было записать 24 машинных слова. То есть 24 команды на перфокарту.

При работе с перфокартами в текстовом режиме каждая колонка обозначает один символ; таким образом, одна перфокарта представляет строку из 80 символов. Допускаются лишь некоторые комбинации пробивок. Наиболее просто кодируются цифры — одной пробивкой в позиции, обозначенной данной цифрой. Буквы и другие символы кодируются несколькими пробивками в одной колонке. Отсутствие пробивок в колонке означает пробел.Для удобства работы с текстовыми данными вдоль верхнего края перфокарты часто печатались те же символы в обычном человекочитаемом виде.

Заполненная перфокарта в текстовом режиме (строка «С*10,05 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДРЕСА АКТИВНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРА ЗАДАЧИ»)

Различные комбинации перфокарты

Следует заметить, что везде одинаково кодировались только цифры и латинские буквы; в кодировании остальных символов существовали большие различия.

Существую также перфоленты.

Первые перфоленты использовались с середины XIX века в телеграфии, отверстия в них располагались в 5 рядов, для передачи данных использовался код Бодо.

Прообразом перфолент стали перфокарты. Объединенные особым образом перфокарты образовывали ленту, которую можно удобно изменять. Постепенно этот поток поступающих карт с данными эволюционировал в одну «непрерывную карту» или ленту. Первые перфоленты использовались при передаче и хранении телеграмм.

Серия из перфокарт, использовавшихся в ткацких станках Жаккарда

Памятка программиста. (Вычислительный центр института «Энергосетьпроект»), 1960-е годы. Машинный код «Минск-22»: код перфоленты и значение кода.

С середины XX века перфоленты стали использоваться в качестве носителя информации для первых электромеханических вычислительных машин. Во одном из первых таких устройств, Марке I, использовались перфоленты с разрядностью в 24 бита.

В середине ленты идёт дорожка с более мелкой перфорацией, так называемая «транспортная дорожка». Она служит для перемещения ленты с помощью зубчатого колеса.

Слово «Wikipedia», записанное на перфоленте

Перфолента для компьютера Марк I, содержащая отметки объёма программы

О том как устроено IT. Пост 1. Механические вычислительные устройства.

Итак, пилот нашел своего читателя поэтому продолжаем. В этом посте расскажу про различные механический вычислительные устройства.

Самое древнее известное механическое устройство — Антикитерский механизм. Поднятое в 1901 году с древнего судна. Остатки судна и его груз обнаружены греческим водолазом 4 апреля 1900 года недалеко от греческого острова Антикитера. Механизм датируется приблизительно 100 годом до н. э., по другим источникам 150 года до н. э. или 205 года до н. э. Хранится в Национальном археологическом музее в Афинах.

Антикитерский механизм (Фрагмент A — спереди)

Антикитерский механизм (Фрагмент A — сзади)

Механизм содержал не менее 30 бронзовых шестерён в прямоугольном деревянном корпусе, на бронзовых передней и задней панелях которого были размещены циферблаты со стрелками. Две прямоугольные бронзовые защитные пластины прикрывали переднюю и заднюю панель. Ориентировочные размеры в сборе 31,5×17×6 см.

Механизм использовался для расчёта движения небесных тел и позволял узнать дату 42 астрономических событий; для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI веку. Впрочем, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать похожие по сложности механизмы. С помощью специально разработанной компьютерной программы определено что устройство было сделано в полосе северной широты 33,3-37. Oстров Родос (36,4 с.ш.) и Сиракузы (37,1 с.ш.) часто предлагаются в качестве мест, где изготовлен или применялся антикитерский механизм.

Устройства, аналогичные антикитерскому механизму, упоминаются более чем в дюжине литературных произведений, которые написаны с 300 года до н. э. по 500 год н. э.

Первые исследования механизма проводились с 1902 по 1910 и с 1925 по 1930 годы. Уже в ходе первых осмотров прибора стало ясно, что астролябия, как некоторые изначально называли этот сложный прибор, была гораздо более продвинутой, чем любые известные астролябии. Редиадис, Радос и Теофанидис (все — греческие военно-морские офицеры и адмиралы) написали ряд статей на эту тему с 1903 по 1930 годы. Теофанидис сконструировал первую бронзовую модель астрономических часов, которые показывали некоторые из планет. Но более серьёзные результаты были получены с помощью рентгеновских исследований Прайсом в 1951—1978 годах.

В 1623 году Вильгельм Шиккард изобрел «Считающие часы» — первый арифмометр, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что, как и в настоящих часах, работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Это изобретение нашло практическое использование в руках друга Шиккарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.

За Считающими часами последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница — арифмометр Лейбница.

Суммирующая машина Паскаля. Француз Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 году в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и часто выполнял долгие и утомительные расчёты.

Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками.

Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса.

Несмотря на преимущества автоматических вычислений, использование десятичной машины для финансовых расчётов в рамках действовавшей в то время во Франции денежной системы было затруднительным. Расчёты велись в ливрах, су и денье. В ливре насчитывалось 20 су, в су — 12 денье. Использование десятичной системы в недесятичных финансовых расчётах усложняло и без того нелёгкий процесс вычислений. Тем не менее примерно за 10 лет Паскаль построил около 50 и даже сумел продать около дюжины вариантов своей машины. Несмотря на вызываемый ею всеобщий восторг, машина не принесла богатства своему создателю. Сложность и высокая стоимость машины в сочетании с небольшими вычислительными способностями служили препятствием её широкому распространению. Тем не менее, заложенный в основу «Паскалины» принцип связанных колёс почти на три столетия стал основой для большинства создаваемых вычислительных устройств.

Схему подобного арифмометру механизма нарисовал Леонардо да Винчи. Это устройство датируется 1500 годом и представляет собой 13-разрядную суммирующую машину на десятизубых колёсах. Однако в своё время идеи Леонардо никакого распространения не получили.

Арифмометр Лейбница. Идея создания машины, выполняющей вычисления, появилась у выдающегося немецкого математика и философа Готфрида Вильгельма Лейбница после его знакомства с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Огромное количество вычислений, которое приходилось делать астроному, навело Лейбница на мысль о создании механического устройства, которое могло бы облегчить такие расчёты («Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины»).

Арифмометр был создан Лейбницем в 1673 году. Сложение чисел выполнялось в десятичной системе счисления при помощи связанных друг с другом колёс, так же как на вычислительной машине Блеза Паскаля. Добавленная в конструкцию движущаяся часть и специальная рукоятка, позволявшая крутить ступенчатое колесо (в последующих вариантах машины — цилиндры), позволяли ускорить повторяющиеся операции сложения, при помощи которых выполнялось деление и перемножение чисел. Необходимое число повторных сложений выполнялось автоматически.

Копия арифмометра Лейбница в Немецком музее.

Были построены два прототипа, до сегодняшнего дня только один сохранился в Национальной библиотеке Нижней Саксонии в Ганновере, Германия. Несколько поздних копий находятся в музеях Германии, например, один в Немецком музее в Мюнхене.

Несмотря на недостатки арифмометра Лейбница, он дал изобретателям арифмометров новые возможности. Привод, изобретённый Лейбницем — шагающий цилиндр или колесо Лейбница — использовался во многих вычислительных машинах на протяжении 300 лет, до 1970-х годов.

Лейбниц также описал двоичную систему счисления — один из ключевых принципов построения всех современных компьютеров. Однако, вплоть до 1940-х многие последующие разработки были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.

В 1820 году Шарль Ксавье Тома де Кольмар создал первое серийно выпускавшееся механическое счётное устройство — арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница.

В 1845 году Израиль Штаффель представил счётную машину, которая кроме четырёх арифметических действий могла извлекать квадратные корни. Арифмометры, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х.

Вычислительная машина Штаффеля. Ни один экземпляр машины не сохранился до XXI века. Её конструкция известна только по историческим источникам, в основном, это статьи для прессы, отчёты и решения жюри c выставок, на которых демонстрировалась машина.

Создатель машины, Израиль Авраам Штаффель, был жителем Варшавы, по профессии — часовщик. Штаффель вырос в бедной еврейской семье и не имел доступа к научным публикациям, рассказывающих о последних изобретениях Западной Европы. Выучил польский язык, что позволило ему читать научно-технические публикации по механике, издаваемые в Царстве Польском. Неизвестно, было ли ему известно о счётных машинах других варшавских изобретателей, Авраама Штерна или Хаима Слонимского, и поэтому невозможно достоверно утверждать, как те повлияли на сконструированное им устройство. Штаффель не был знаком с конструкцией арифмометра де Кольмара или других счётных машин, созданных в Западной Европе. В связи с этим следует предположить, что построенная им машина была его собственным изобретением, мало похожей на разработанные ранее вычислительные устройства. Штаффель начал строить машину в 1835 году и закончил работы через 10 лет. Впервые он продемонстрировал машину публике в 1845 году. Позже Штаффель представил ещё несколько моделей машины, содержащих различные усовершенствования. В 1845 году на промышленной выставке в Варшаве Израиль Авраам Штаффель был награждён серебряной медалью. В комитет, присуждающий медаль. В описании машины отмечалось значительное снижение времени, необходимого на выполнение вычислений по сравнению с ручными расчётами на бумаге.

В том же 1845 году Штаффель ознакомил с машиной министра народного просвещения, президента Петербургской академии наук Уварова, когда тот был в Варшаве, Уваров обещал ему содействие. После получения Штаффелем серебряной медали на выставке наместник Царства Польского Паскевич, князь Варшавский, выдал ему 150 рублей на поездку в Санкт-Петербург для представления машины в академии наук.В 1846 году Уваров поручил академии исследовать машину. По результатам исследования она получила широкое признание среди членов академии. В 1851 году машина вместе с некоторыми другими устройствами Штаффеля была представлена на Всемирной выставке в Лондоне. Машина Штаффеля получила серебряную медаль и была признана лучшей из вычислительных машин, участвовавших в выставке.

Механизм машины был основан на колесе Лейбница.

В 1804 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.

Перфокарточная система музыкального автомата

В 1832 году Семен Корсаков применил перфорированные карты в конструкции разработанных им «интеллектуальных машин», механических устройств для информационного поиска, являющихся прообразами современных баз данных и, в какой-то степени, — экспертных систем. С. Н. Корсаков является пионером русской кибернетики. Основное стремление С. Н. Корсакова — усиление возможностей разума посредством разработки научных методов и специальных устройств. В первой половине XIX века он изобрел и сконструировал ряд действующих механических устройств, функционирующих на основе перфорированных таблиц и предназначенных для задач информационного поиска и классификации.

Гомеоскоп прямолинейный с неподвижными частями. Он представляет собой наиболее простое из всех устройств Корсакова. Пользуясь им, можно найти среди большого числа записей, отображённых в гомеоскопической перфорированной таблице, ту, которая содержит все признаки другой заданной записи.

Гомеоскопы прямолинейные

Гомеоскоп прямолинейный с подвижными частями. Он может указывать то же самое, что и гомеоскоп прямолинейный с неподвижными частями, и в дополнение к этому он находит и отделяет из заданной записи все те признаки, которые соответствуют (или не соответствуют) аналогичным признакам других записей в таблице.

Плоский гомеоскоп. Плоский гомеоскоп аналогично указывает соответствия, имеющиеся у сравниваемых между собой записей, число признаков которых может достигать многих тысяч. С. Н. Корсаков утверждает, что число признаков можно довести до одного миллиона, используя, так называемые, градуированные стержни. В целом плоский гомеоскоп позиционируется Корсаковым как устройство для обработки больших массивов данных.

Идеоскоп представляет наиболее «хитроумное» из всех пяти устройств, предложенных С. Н. Корсаковым. Идеоскоп одновременно позволяет выполнить исчисление следующих значений:

множество вообще возможных признаков, но отсутствующих в заданной и сравниваемой записях

множество признаков заданной записи, но которых нет в сравниваемой записи из идеоскопической таблицы

множество общих признаков для заданной и сравниваемой записей

множество общих наиболее важных признаков

множество наиболее важных признаков сравниваемой записи из таблицы, но которые отсутствуют в заданной записи

множество признаков сравниваемой записи из таблицы, которые отсутствуют в заданной записи.

Простой компаратор. Компаратор определяет те же операции с множествами, что и идеоскоп. Преимущество компаратора заключается в том, что признаки сравниваемых идей можно задать непосредственно (динамически) перед началом сравнения, не требуется заранее подготавливать и использовать перфорированные таблицы. Ограничение состоит в том, что за один раз возможно сравнение только двух идей.

В целом, изобретенные С. Н. Корсаковым машины позволяют быстро находить, сравнивать и классифицировать множества информационных записей (идей) по набору многочисленных признаков (деталей). C. Н. Корсаков позиционирует свои машины как усиливающие человеческий разум для одновременного охвата большого количества объектов и их сравнения по множеству признаков. Для реализации своих машин С. Н. Корсаков по существу впервые применил перфорированные карты в информатике. В работах С. Н. Корсакова содержится целый ряд новых для того времени идей, как то: многокритериальный поиск с учетом относительной степени важности различных критериев, способ обработки больших массивов данных, предтеча современных экспертных систем, и даже попытка определить понятие алгоритма.

С. Н. Корсаков предпринял два шага к продвижению своих изобретений. В 1832 г. им была издана брошюра «Начертание нового способа исследования при помощи машин, сравнивающих идеи». По традиции того времени, брошюра была написана на французском языке. В том же году С. Н. Корсаков предпринимает попытку представить свои изобретения на суд Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге. Однако С. Н. Корсакову не повезло. Изобретения его не были в должной мере оценены современниками и не получили официальной поддержки. Заключение комиссии содержало ироническое замечание: «Г-н Корсаков потратил слишком много разума на то, чтобы научить других обходиться без разума».

В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара.

Разностная машина Чарльза Бэббиджа. Предназначен для автоматизации вычислений путём аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Возможность приближённого представления в многочленах логарифмов и тригонометрических функций позволяет рассматривать эту машину как довольно универсальный вычислительный прибор.

Первая идея разностной машины была выдвинута немецким инженером Иоганном Мюллером в книге, изданной в 1788 году. Беббидж был знаком со статьёй Мюллера в переводе Джона Гершеля, но поскольку дата перевода неизвестна — было ли это до постройки Беббиджем машины или уже после, то остаётся неизвестным, находился ли Беббидж под влиянием работ Мюллера.

В 1822 году Бэббиджем была построена модель разностной машины, состоящая из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Заручившись поддержкой Королевского общества, посчитавшего его работу «в высшей степени достойной общественной поддержки», Бэббидж обратился к правительству Великобритании с просьбой о финансировании полномасштабной разработки. В 1823 году правительство Великобритании предоставило ему субсидию в размере 1500 фунтов стерлингов (общая сумма правительственных субсидий, полученных Бэббиджем на реализацию проекта, составила в конечном счёте 17 000 фунтов стерлингов). Разрабатывая машину, Бэббидж и не представлял всех трудностей, связанных с её реализацией, и не только не уложился в обещанные три года, но и спустя девять лет вынужден был приостановить свою работу. Однако часть машины все же начала функционировать и производила вычисления даже с большей точностью, чем ожидалось. Конструкция разностной машины основывалась на использовании десятичной системы счисления. Механизм приводился в действие специальными рукоятками. Когда финансирование создания разностной машины прекратилось, Бэббидж занялся проектированием гораздо более общей аналитической машины, но затем всё-таки вернулся к первоначальной разработке. Улучшенный проект, над которым он работал между 1847 и 1849 годами, носил название «Разностная машина № 2».

Копия разностной машины в лондонском Музее науки

Несмотря на неудачу с разностной машиной, Бэббидж в 1833 году задумался о создании программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической (прообраз современного компьютера). В отличие от разностной машины, аналитическая машина позволяла решать более широкий ряд задач. Именно эта машина стала делом его жизни и принесла посмертную славу. Он предполагал, что построение новой машины потребует меньше времени и средств, чем доработка разностной машины, так как она должна была состоять из более простых механических элементов. С 1834 года Бэббидж начал проектировать аналитическую машину.

Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической машины. В аналитической машине Бэббидж предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода-вывода информации.Склад предназначался для хранения как значений переменных, с которыми производятся операции, так и результатов операций. В современной терминологии это называется памятью. Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над переменными, а также хранить в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию. Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью операций, помещением переменных в склад и извлечением их из склада, а также выводом результатов. Оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Кроме того, по замыслу Бэббиджа, Аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования.

Бэббидж разрабатывал конструкцию аналитической машины в одиночку. Он часто посещал промышленные выставки, где были представлены различные новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство с Адой Августой Лавлейс , которая стала его очень близким другом, помощником и единственным единомышленником. В 1840 году Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа, преподаватель туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал конспект лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями по объёму превосходящими исходный текст. В комментариях Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс справедливо называют первым программистом. Однако, аналитическая машина так и не была закончена. Вот, что писал Бэббидж в 1851 году: «Все разработки, связанные с Аналитической машиной, выполнены за мой счёт. Я провёл целый ряд экспериментов и дошёл до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы». Несмотря на то, что Бэббидж подробно описал конструкцию аналитической машины и принципы её работы, она так и не была построена при его жизни. Причин этому было много, но основными стали полное отсутствие финансирования проекта по созданию аналитической машины и низкий уровень технологий того времени. Бэббидж не стал в этот раз просить помощи у правительства, так как понимал, что после неудачи с разностной машиной ему всё равно откажут.

Только после смерти Чарлза Бэббиджа его сын, Генри Бэббидж, продолжил начатое отцом дело. В 1888 году Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел аналитической машины. А в 1906 году Генри совместно с фирмой Монро построил действующую модель аналитической машины, включающую арифметическое устройство и устройство для печатания результатов. Машина Бэббиджа оказалась работоспособной.

В 1864 году Чарлз Бэббидж написал: «Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». В своём предположении он ошибся на 30 лет. Только через 80 лет после этого высказывания была построена машина МАРК-I, которую назвали «осуществлённой мечтой Бэббиджа». Архитектура МАРК-I была очень схожа с архитектурой аналитической машины. Говард Эйкен на самом деле серьёзно изучал публикации Бэббиджа и Ады Лавлейс перед созданием своей машины, причём его машина идеологически незначительно ушла вперёд по сравнению с недостроенной аналитической машиной. Производительность МАРК-I оказалась всего в десять раз выше, чем расчётная скорость работы аналитической машины.

В 1948 году появился Curta — небольшой арифмометр, который можно было держать в одной руке. В 1950-х — 1960-х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств.

Источник Источник Источник http://www.sites.google.com/site/istoriavt444/kak-oplatit
Источник Источник http://dianaivanskaya.ucoz.ru/index/tema_1_1_osnovnye_svedenija_ob_ehlektronno_vychislitelnoj_tekhnike/0-213
Источник http://pikabu.ru/story/kak_ustroeno_it_post_2_avm_analogovaya_vyichislitelnaya_mashina_6032535