Методическая разработка на тему"история развития компьютера" для 1 курса академического лицея

?

Тема№1

История развития

вычислительной техники

1

План урока

1. Предыстория информатики.

2. История ЭВМ.

1

"Ручные" счетные устройства

Абак – первое счетное приспособление, которое стал применять человек. Идея его устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, на котором по определенным правилам перемещают счетные элементы, сгруппированные по разрядам.

Первое письменное упоминание об абаке появилось в V веке до н.э. у древнегреческого историка Геродота. У разных народов существовали свои аналогичные устройства.

римский абак

китайский суан-пан

японский соробан

русские счёты

Логарифмическая линейка

Логарифмическая линейка – аналоговое вычислительное устройство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень, вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов и тригонометрических функций. Принцип действия этой линейки основан на том, что умножение и деление чисел заменяется соответственно сложением и вычитанием их логарифмов.

Первый вариант линейки разработал английский математик-любитель Уильям Отред в 1622 году.

Джон Непер

(1550-1617)

изобретатель логарифмов

Уильям Отред

(1575-1660)

Логарифмическая линейка 80-х годов XX века

Суммирующая машина Паскаля

В 1642-43 гг. французский философ и математик Блез Паскаль изобрел и сконструировал первое механическое счетное устройство, позволяющее складывать числа в десятичной системе счисления.

Машина Паскаля осуществляла сложение чисел на дисках-колесиках. Десятичные цифры числа задавались поворотами дисков, на которых были нанесены цифровые деления. Результат читался в окошках. Диски имели один удлиненный зуб, что позволяло учесть при сложении перенос единицы в следующий разряд.

Блез Паскаль

(1623-1662)

Машина Паскаля

Арифмометр Лейбница

В 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц изобрел устройство, которое не только складывало, но и умножало числа. Арифмометр Лейбница выполнял сложение так же как и машина Паскаля, но в её конструкцию были включены подвижная каретка и ручка, с помощью которой крутились барабаны, расположенные внутри аппарата.

В машине каждый разряд имел собственный механизм, связанный с механизмами соседних разрядов. Лейбниц использовал шаговые барабаны – цилиндры с девятью зубцами разной длины, что позволило использовать операцию «сдвига» для поразрядного умножения чисел.

За три столетия в различных странах мира было создано громадное количество арифмометров, которыми пользовались до 70-х годов нашего века.

Готфрид Вильгельм Лейбниц

(1646-1716)

Шаговый барабан машины Лейбница

Арифмометр Лейбница

Арифмометр

50-х годов XX века

Перфокарты

В 1801 году во Франции сын лионского ткача Жозеф Мари Жаккард создал автоматический ткацкий станок, управляемый перфокартами . Наличие или отсутствие отверстий в карте заставляло нить подниматься и опускаться при каждом ходе челнока. Этот станок был первым массовым промышленным устройством, работающим по заданной программе.

Идея перфокарт произвела переворот не только в ткацком деле, но и в дальнейшей разработке счетных машин.

Программа,

составленная из перфокарт

Ткацкий станок Жаккарда

Разностная машина Чарльза Бэббиджа

Чарльз Бэббидж, английский математик и изобретатель в 1823 году начал разработку Разностной машины . Машина должна была автоматизировать процесс составления таблиц разностей многочленов. В ней имелось суммирующее устройство и устройство, выводящее результаты вычислений на печать параллельно с проведением вычислений.

Чарльз Бэббидж, английский математик и изобретатель в 1823 году начал разработку Разностной машины . Машина должна была автоматизировать процесс составления таблиц разностей многочленов. В ней имелось суммирующее устройство и устройство, выводящее результаты вычислений на печать параллельно с проведением вычислений.

В 1833 году правительство Великобритании прекратило финансирование этого проекта, т.к. его бюджет был превышен в пять раз. В 1843 году незавершенную машину со всеми чертежами поместили на хранение в музей Королевского колледжа в Лондоне. Именно из частей этой машины была построена действующая модель, находящаяся сейчас в Кембридже.

Чарльз Бэббидж

(1792-1871)

Разностная машина

Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа

В 1849 году Бэббидж представил схему Аналитической машины , она состояла из трех блоков:

• склад – память для хранения чисел на регистрах, состоящих из механических колес,
• фабрика – блок для выполнения арифметических операций,
• устройство для управления процессом вычислений, осуществления выборки чисел из памяти, выполнения вычислений и вывода результатов.

Чарльз Бэббидж работал над своей машиной до последних дней жизни. Сын Бэббиджа Генри закончил работу над машиной в 1896 году. Машина оказалась работоспособной и была первым действующим образцом, способным печатать результаты вычислений.

Аналитическая машина

Первый программист

Августа Ада Лавлейс – соратница Чарльза Бэббиджа по разработке Аналитической машины. Ада Лавлейс – первый в истории программист – составляла программы на перфокартах. Предложила способ возврата одной или нескольких «отработанных» перфокарт из ящика-приёмника обратно в ящик-источник для последующего считывания и выполнения действий. Таким образом, стало возможно многократно повторять целые участки программ, т.е. организовывать программные циклы.

Ада Августа Лавлейс

(1815-1852)

Перфокарты времен Ады Лавлейс

Табулятор Холлерита

В 1887 году инженер Герман Холлерит опробовал первый табулятор для обработки данных переписи населения в США.

Машина Холлерита включала:

• клавишный перфоратор, позволяющий пробивать (перфорировать) около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах,
• машину для сортировки, которая представляла собой набор ящиков с крышками,
• табулятор, у которого замыкание электрической цепи приводило к увеличению показаний соответствующего счетчика на единицу.

Перфокарта, используемая

в табуляторе

Табулятор Холлерита

Герман Холлерит

(1860-1929)

Релейные компьютеры Цузе

Первая полностью механическая машина Z1 была построена в 1936-1938 гг. Управление ею осуществлялось от перфоленты, на которую записывались команды программы.

В 1939 году Цузе построил небольшую машину Z2, оперировавшую с 16-разрядными двоичными числами с фиксированной точкой.

В 1941 году была разработана машина Z3, работавшая уже на электромеханических реле. Исходные данные задавались с клавиатуры, а результаты вычислений высвечивались на специальном табло.

В 1942-1945 гг. Конрад Цузе разрабатывает машину Z4. Память на 1024 слова была в ней механической, но длина чисел составляла 32 бит. До 1950 года Z4 оставалась единственным работающим компьютером в Европе.

Машина Z3

Конрад Цузе

(1910-1995)

Машина Z4

Поколения ЭВМ

I поколение

II поколение

III поколение

IV поколение

История ЭВМ

12

Поколения ЭВМ

Поколение ЭВМ – период развития вычислительной техники, отмеченный относительной стабильностью архитектуры и технических решений.

Смена поколений обычно связана с переходом на новую элементную базу, что приводит к скачку в росте основных характеристик ЭВМ.

Новый состав

программного обеспечения

Новая элементная база

Новое

поколение

ЭВМ

Новые области

применения

Новые технологии

производства

V поколение

III поколение

IV поколение

II поколение

I поколение

с 1975…

?...

с 1965…

с 1955…

с 1945…

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ

ЭВМ

4 поколения

ПК (Altair, Apple)

ЭВМ 1,2,3 поколений: ЭНИАК, МЭСМ, БЭСМ, «Стрела», «Минск», IBM-360

Рука, абак, логарифмическая линейка, арифмометр, табулятор

1970

Принципы Джона фон Неймана

1943

древние времена

I поколение

В 1946 году Джон Экерт и Джон Моучли в Университете штата Пенсильвания (США) построили быстродействующую ЭВМ, получившую название ENIAC. Машина работала в десятичной системе, для ввода-вывода информации использовались перфокарты.

Эта первая электронная цифровая машина имела почти 20 тысяч электронных ламп и 1,5 тыс. реле. Она представляла из себя тоннель длиной 21 метр со шкафами, набитыми радиолампами и выполняла до 5000 операций в секунду, потребляя при этом 180 кВт электроэнергии. Вдоль тоннеля постоянно ездил инженер, который менял вышедшие из строя электронные лампы на новые.

Электронная

вакуумная лампа

ENIAC

I поколение

Поначалу программа вычислений в ЭВМ задавалась вручную с помощью механических переключателей и гибких кабелей со штекерами, которые вставлялись в нужные разъемы. Изменение программы вычислений требовало немалых усилий. Позже Джон фон Нейман разработал концепцию электронно-вычислительной машины с вводимыми в память программами и данными EDVAG. Управлять процессом вычислений стала программа, хранящаяся в выделенной области памяти. Программа представляла собой набор двоичных чисел и получила название машинной программы (Ассемблера) .

Быстродействие электронных вычислительных машин первого поколения составляло 10-20 тысяч операций в секунду.

Джон фон Нейман

(1903-1957)

EDVAG

II поколение

Изобретенные в 1948 году транзисторы оказались способными выполнять все те функции, которые до этого выполняли электронные лампы. Но при этом они занимали существенно меньший объём, потребляли значительно меньше электроэнергии и более надежны. Один транзистор способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, чем они.

В результате быстродействие машин второго поколения возросло в 10 раз, объём их памяти также увеличился.

Одновременно совершенствовались методы хранения информации. Магнитную ленту стали использовать для ввода и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, устройства памяти на магнитных дисках.

Транзисторы

II поколение

Модель IBM 7094 – научный компьютер второго поколения. В середине 60-х годов XX века являлся одним из самых быстрых компьютеров – выполнял до 350 тысяч операций в секунду над числами с плавающей запятой. В качестве внешней памяти использовался накопитель на жестких магнитных дисках. Магнитные пластины диска размером 24 дюйма в диаметре вращались в вакууме. Магнитные головки считывали и записывали информацию на магнитную поверхность.

IBM 7094

II поколение

БЭСМ-6 - лучшая в мире ЭВМ второго поколения. Разрабатывалась под руководством академика С.А.Лебедева. В её структуре были воплощены многие идеи, получившие широкое использование лишь в машинах III и IV поколений.

Выпускалась до 1981 года.

БЭСМ-6

II поколение

Главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. 

На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой .  Тогда же были разработаны первые языки программирования высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол.

Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров; программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла.

Консоль управления БЭМС-6

III поколение

Революцию в технологии производства ЭВМ вызвало создание интегральных схем . Был изобретен способ соединения всех компонентов электронной схемы (транзисторов, конденсаторов и резисторов) в одном устройстве на тонком слое кремниевой пластины.

Благодаря этому размеры компьютеров значительно уменьшились, а их возможности увеличились. Появился новый класс памяти – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – допускающий только чтение данных и решающий проблему хранения наиболее важных программ ЭВМ. Обычная память, доступная и для записи, и для чтения, получила название ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

Интегральная микросхема

III поколение

В конце 60-х годов появились мини-компьютеры с ограниченными аппаратными и программными средствами, небольшими размерами и невысокой ценой. Они использовались как индустриальные контроллеры – машины, управляющие станками на производстве. Такой компьютер занимал площадь всего в 2 м 2 . Наибольшую популярность получила серия ЭВМ PDP-11 .

PDP-11

III поколение

В СССР с 1971 года до конца 80-х, примерно с пятилетним интервалом, появились три ряда ЭВМ, получившие название ЕС (Единая Система). Машины одного ряда различались по производительности и их классифицировали как малые, средние и старшие модели. Но для всех ЭВМ строго выдерживались основные принципы серийности — программная и аппаратная совместимость, общая номенклатура периферии, единый подход к конструированию и производству.

Быстродействие ЕС ЭВМ первой очереди варьировалось от 20 тыс. операций в секунду в младшей модели ЕС-1020 до 500 тыс. операций в секунду в наиболее мощной ЕС-1050. Скорость расчетов на разработанной в 1984 году ЕС-1066 достигала 5,5 млн. операций в секунду. Модели могли объединяться в многомашинные и многопроцессорные комплексы. От поколения к поколению развивались средства дистанционного доступа, благодаря которым машины использовались в режиме разделения времени. С каждым новым рядом появлялась более современная периферия, например внешняя память прямого доступа на магнитных дисках, дисплейные станции.

ЕС-1022

III поколение

Дисплейные станции

Внешний накопитель

на магнитной ленте

Перфоратор ввода данных

Накопитель

на жестком магнитном диске

Пульт управления

Блок оперативной памяти

АЦПУ (принтер)

IV поколение

В 70-х годах началось массовое производство сверхбольших интегральных схем , имеющих металлические контакты для соединений. Изготовлять интегральные схемы можно только на автоматизированном производстве. Такие схемы называют печатными платами . Печатная плата состоит из множества чипов , каждый из которых может содержать несколько миллионов транзисторов. Чипы заключаются в корпуса, которые могут иметь выводы («ножки») с одной, двух или четырех сторон.

Печатная плата

Чипы

IV поколение

В 1983 году IBM произвела модель PC XT . Машина была оснащена жестким диском ёмкостью 10 Мбайт, тремя разъемами под дополнительные платы. Оперативная память могла расширяться до 640 кбайт. На дискеты записывалось 360 кбайт информации. В качестве операционной системы использовалась диалоговая система MS DOS компании Microsoft.

В этом же году фирма Apple создает компьютер Lisa со странным устройством-манипулятором для ввода графической информации (мышью). Большинство ученых и разработчиков скептически отнеслись к новинке. Стоил Lisa очень дорого – около 11 тысяч долларов.

В 1984 году появился менее дорогой компьютер Macintosh . Он имел черно-белый монитор, аудиосистему и операционную систему с графическим интерфейсом.

Lisa

IV поколение

В 80-х годах была очень популярна модель Sinclair ZX Spectrum .

Машина размещалась в одном корпусе с клавиатурой, а в качестве монитора использовался домашний телевизор. Она стоила всего несколько сотен долларов, что делало её доступной по цене практически каждому. Домашний компьютер имел от 48 кбайт памяти и базировался на микропроцессоре Z-80.

В первых моделях в качестве внешней памяти использовались магнитные кассеты, в более поздних – дискеты 3,5”.

Sinclair ZX Spectrum разных модификаций

IV поколение

С начала 80-х годов начинается эра персональных компьютеров .

Типичный персональный компьютер включает клавиатуру, видеомонитор и системный блок, в котором размеща-ется плата с микропроцессором. Для связи с внешним миром компьютер использует телефонные линии, для хранения данных – различные магнитные диски, для ввода графической информации – сканеры и манипуляторы, для создания твердых копий – принтеры и графопостроители.

Машины серии IBM PC , впервые представленные в 1981 году, в настоящее время фактически стали стандартом для персональных компьютеров.

Современный компьютер

Компьютеры 5-ого поколения

V поколения

Нанотехнологии. Компьютеры на основе отдельных молекул и даже атомов. Нейросети, моделирующие структуру нервной системы человека. «Биологические компьютеры».