Лекция 1 Введение.

Одним из первых прототипов механической счетной машины была суммирующая машина, сконструированная знаменитым французским ученым Блезом Паскалем в 1642 году.  

Первая механическая суммирующая машина Паскаля.

В этой машине, состоящей из движущихся дисков с прорезями, при суммировании чисел использовалась десятичная система исчисления. Известны и более ранние описания и чертежи подобных суммирующих машин. 

В 1673 году выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц усовершенствовал машину Паскаля и создал механический калькулятор, который позволял перемножать, делить возводить в степень, извлекать квадратние и кубические корни.

 Механический калькулятор Лейбница

Существенным достижение стала разработка петербургским инженером Вильгодтом Однером в 1874 году так называемого механического «арифмометра», который мог производить четыре основных арифметических действия. Конструкция «арифмометров» неоднократно совершенствовалась, и эта механическая счетная машина достаточно эффективно использовалась для широкого круга практических расчетов вплоть до 70-х годов XX века.

    Арифмометр В.Т.Однера

 Одной из первых технических предпосылок современных автоматически работающих машин следует считать изобретенную Жозефом Мари Жаккардом  в  1804 году ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался с помощью целой колоды  перфокарт прямоугольных карточек из картона

Ткацкий станок Жаккарда и перфокарты к нему

В 1822 году английский математик  Чарльз Бэббидж  предложил проект разностной машины для решения дифференциальных уравнений. Для повторения операций в ходе вычислений в машине Бэббиджа использовалась энергия пара, таким образом, процесс работы был автоматизирован и проходил без участия человека. В дальнейшем Бэббиджом была предложена модель так называемой «аналитической машины», которая имела много основных черт современных вычислительных машин.  Эта машина включала устройство ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Аналитическая машина Бэббиджа могла выполнять набор инструкций, который был записан на «перфокартах» – прямоугольных картонных карточках с определенным набором отверстий, соответствующих выполняемой инструкции. Принципы программирования для аналитической машины Бэббиджа разработала в 1843 году Огаста Ада Байрон

    Разностная машина Ч.Бэббиджа.

Практическая реализация и дальнейшее развитие идей Бэббиджа были осуществлены американским изобретателем Германом Холлеритом. В 1890 году им было сконструировано электрическое перфокарточное устройство для решения статистических задач. На перфокартах кроме инструкций хранились также данные. Вычислительная машина Холлерита была для своего времени весьма производительным устройством обработки информации. В 1896 году ее автор основал корпорацию по производству  подобных электромеханических вычислительных устройств, которая после ряда преобразований превратилась в 1924 году во всемирно известную и процветающую до сих пор корпорацию по производству компьютеров IBM (International Business Machines).

Наряду с механическими и электромеханическими  вычислительными машинами получило развитие  направление так называемых аналоговых вычислительных машин, в которых обработка информации происходит с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. В аналоговых вычислительных машинах обрабатываемая информация представляется в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины: электрического тока, напряжения, угла поворота механизма и т. п. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются механические часы. Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами являлись интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие практически мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая ее изменение во времени.  На аналоговых машинах эффективно решаются математические задачи, содержащие несложные дифференциальные уравнения. Однако точность вычислений на этих машинах относительно низкая (с погрешностью до 1–2%), а повышение точности связано со значительным ростом стоимости вычислений. Кроме того, круг задач, которые может решать аналоговая машина, строго ограничен рамками тех физических процессов, которые она в состоянии моделировать. В настоящее время аналоговые машины обычно используются в узко специальных целях для управления сложными техническими объектами и при проведении научно-исследовательских работ, а по своему назначению могут быть отнесены к специализированному классу приборов вычислительной техники, и далее нами рассматриваться не будут.

Наибольшее распространение в науке, технике и экономике получили цифровые вычислительные машины с электрическим представлением дискретной (прерывной во времени) информации, которые получили наименование ЭЦВМ (электронная цифровая вычислительная машина) или просто ЭВМ без упоминания об их цифровом характере. В последнее время для обозначения ЭВМ чаще применяется укороченная аббревиатура ВМ.

 Основополагающей  теоретической предпосылкой для создания вычислительных машин в их современном представлении стала работа английского математика Алана Тьюринга, который в 1936 году заложил основы теории алгоритмов. Публикация Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории  автоматов и во многом определила ее особенности. В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находится в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью – лентой.  Среди состояний выделяются два: начальное и конечное. Лента разделена на  клетки. В каждую клетку может быть записана  любая из букв некоторого алфавита. В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ. В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым  в данный момент. Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга  называется программой данной машины. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние. Хотя Тьюринг не преследовал цели изобретения вычислительной машины, описанные им абстрактные принципы определили ряд особенностей конструктивного исполнения и функционирования современных  вычислительных машин. Например, бесконечная лента Тьюринга является явным аналогом оперативной памяти вычислительной машины.

В 1938 году немецкий инженер К. Цузе построил электромеханический цифровой программируемый вычислитель, названный автором Z1. В последнее время именно Z1 называют первым в мире компьютером.

В 1939 году  американские инженеры Винсент Атанасов и Клиффорд Берри разработали модель полностью электронной вычислительной машины (АВС - Atanasoff Berry Computer). В ее основу были заложены двоичная система исчисления Готфрида Лейбница и символическая логика английского математика XIX века  Джорджа Буля (так называемая «Булева алгебра»). Атанасов и Берри применили эти концепции для электронных устройств, в качестве памяти была впервые использована модель Тьюринга.

В 1943 году под руководством американца Говарда Айкена, по заказу и при поддержке фирмы IBM создан Mark-1 - первый программно-управляемый компьютер. Он был построен на электромеханических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты. Весила она около 35 тонн.

Однако, чаще всего годом появления первой электронной вычислительной машины считается 1946 год, когда американцами Джоном Мочли и Преспером  Эккертом была сконструирована цифровая машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer – «электронный цифровой сумматор и вычислитель), работающая на электронных вакуумных лампах. Эта машина во многом была прообразом современных универсальных вычислительных машин. Она занимала площадь около 170 м2 и весила более 30 тонн, содержала более 17 тысяч электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. В этой машине было не только арифметическое, но и запоминающее устройство.

        ENIAC

Ввод числовых данных осуществлялся с помощью перфокарт, программы же вводились в эту машину с помощью штекеров и наборных полей. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось до нескольких дней, хотя сама задача решалась за несколько минут.

Для сравнения, скажем, что современный микропроцессор, способный вместить все электронное оборудование такой машины, имеет площадь всего 1,5-2 см2, обеспечивая при этом такую вычислительную мощность, которая превышает суммарную вычислительную мощность всех ЭВМ, имевшихся в мире в середине 60-х годов, а 17 тысяч переключателей можно разместить в срезе человеческого волоса.

Огромный вклад в теорию и практику создания ЭВМ на начальном этапе их развития внес выдающийся американский математик Джон фон Нейман, участвовавший в разработке ENIAC и опубликовавший в 1945 году отчет, в котором были изложены основные принципы построения ВМ, ставшие классическими. Совокупность знаменитых «принципов фон Неймана» породило классическую архитектуру ВМ.  В нашей стране в 1947–1948 годах советским ученым С. А. Лебедевым независимо от фон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин, которые были применены при создании первых отечественных разработок ЭВМ. Однако в силу засекреченности проводимых в СССР в то время работ, связанных с оборонной тематикой, соответствующих публикаций в открытой печати не последовало.

1.2. Хронология разработки и эволюции  вычислительных машин и систем

Хронологию разработки и эволюции вычислительной техники принято рассматривать с точки зрения смены поколений вычислительных машин. Каждое поколение ВМ в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основных характеристик, вызванным обычно переходом на новую элементную базу, а также относительной стабильностью архитектурных и технологических решений. Разбиение поколений машин по годам весьма условно. В то время, когда начиналось активное использование ЭВМ одного поколения, создавались предпосылки для возникновения следующего. Кроме элементной базы для оценки степени развития ЭВМ одного поколения используются такие показатели, как архитектура, производительность, программное обеспечение, уровень развития внешних устройств.

Для первого поколения ЭВМ (середина 1940-х годов – середина 1950-х годов) характерно применение вакуумно-ламповой технологии (электронных вакуумных ламп), систем памяти на магнитных барабанах и электростатических трубках. Данные и программы вводились в основном с помощью перфокарт и перфолент. В машинах первого поколения использовался машинный язык – способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение в машине. Как правило, для каждой ЭВМ существовал свой собственный машинный язык, а программа на машинном языке представляла собой последовательность машинных команд, которые могли быть выполнены обычно только процессором данной ВМ. Это существенно ограничивало область применения машин первого поколения.

К ЭВМ первого поколения относятся несколько американских разработок, среди которых наиболее значимые – уже упоминавшийся ENIAC, а также универсальные вычислительные машины EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer  – «электронный автоматический компьютер с дискретными переменными») (1950 г.) и UNIVAC (Universal Automatic Computer  – «универсальный автоматический компьютер») (1952 г.). В том же году был выпущен IBM 701 – серийный ламповый компьютер выполнял до 2200 операций умножения в секунду.

С 1948 года разработка вычислительных машин активно велась и в СССР под руководством  С. А. Лебедева в Институте электротехники Академии наук Украины. В 1951 году была введена в эксплуатацию МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина). МЭСМ стала не только первой универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР, но и Европе. В 1952 году была построена еще одна отечественная ВМ – М-1 (И. С. Брук и др.). В 1953 году вступила в эксплуатацию самая производительная в Европе и одна из лучших в то время в мире ЭВМ  БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина), разработанная  под руководством академиков С. А. Лебедева, М. А. Лаврентьева, М. В. Келдыша в Институте точной механике и вычислительной техники Академии наук СССР. Примерно в то же время были выпущены средние по производительности ламповые ЭВМ  «Стрела» (Ю. А. Базилевский, Б. И. Рамеев) и М-2 (И. С. Брук и др.). 

ЭВМ первого поколения были громоздкими, дорогими,  потребляющими большое количество электроэнергии и крайне ненадежными вследствие использования в них электронных вакуумных ламп. Однако научные исследования в области электроники открыли новые перспективы качественного улучшения вычислительной техники. В 1948 году был изобретен полупроводниковый транзистор – электронный элемент, выполнявший те же функции, что и электронные лампы, но имевший в сотни раз меньшие габариты и потребление электроэнергии, а, следовательно, и тепловыделение. С 1954 года кремниевые транзисторы стали выпускаться серийно, примерно в то же время появились новые устройства для организации хранения информации – малогабаритные ферритовые сердечники. Эти разработки легли в основу создания ЭВМ второго поколения (середина 1950-х годов – начало 1960-х годов). Применение транзисторов существенно снизило габариты и потребление электроэнергии, повысило надежность и производительность ВМ. Были разработаны также более эффективные внешние устройства хранения информации – ленточные и дисковые магнитные носители.

Первой ЭВМ, выполненной полностью на полупроводниковых элементах, считается американская модель TRADIC (TRAnsistor Digital Computer – транзисторный компьютер сконструированный Дж. Х. Фелкером из компании Bell Labs для ВВС США в 1955 году (по другим источникам в 1953 году). Следует отметить также другие значимые разработки полупроводниковых ВМ второго поколения: TX-0, IBM 1620, 1790, 7030.

     Первый транзисторный компьютер TRADIC в Bell Labs/

Среди отечественных разработок того периода времени прежде всего следует отметить рекордные серии машин БЭСМ-2, БЭСМ-3, БЭСМ-4 и М-20, М-40, а также серии машин «Минск», «Урал», «Днепр» и др.

На замену примитивному машинному языку, применявшемуся в ВМ первого поколения, пришел более совершенный машинный язык  низкого уровня – ассемблер, написание программ на котором стало более наглядным и понятным. С конца 1950-х годов ВМ стали интенсивно использоваться в государственных организациях, научно-исследовательских учреждениях, крупных промышленных и торговых предприятиях во всем мире. Расширение области применения ВМ потребовало создание новых технологий программирования. Были разработаны более естественные  и универсальные языки программирования, получившие название языков высокого уровня. Это, прежде всего языки Fortran (для научно-технических вычислений) и Cobol (для финансово-экономических расчетов). Именно со вторым поколением ВМ началось развитие индустрии программного обеспечения.

Третье поколение ЭВМ (начало 1960-х годов – начало 1970-х годов)  характеризуется переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам В 1958 году американским инженером Джеком Килби была разработана первая интегральная микросхема – кремниевый полупроводниковый кристалл, на котором базируются миниатюрные активные элементы (транзисторы и диоды). Такая интегральная микросхема представляет собой логически законченный функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. В том же году американец Роберт Нойс разработал промышленный образец интегральной микросхемы, так называемый «чип» (chip – дословно «стружка, щепка»). Отметим, что впоследствии именно Р. Нойс основал всемирно известную и наиболее крупную корпорацию  Intel (Integrated electronics) по производству интегральных микросхем.

Микросхемы применяемые в ЭВМ позволяли сделать вычислительные машины более производительными, и, самое главное, существенно снизить их габариты и потребление электроэнергии. В апреле 1964 году на основе интегральных микросхем корпорацией IBM была выпущена первая ЭВМ серии System 360. Семейство машин IBM System 360 – самое многочисленное семейство машин третьего поколения и одно их самых удачных в истории производства ВМ. Выпуск IBM System 360 можно считать началом массового производства вычислительной техники.

 ЭВМ третьего поколения – IBM-360

Появление стандартизованного, хорошо масштабируемого семейства ВМ универсального назначения IBM System 360  привело к становлению новой идеологии выполнения вычислительных работ на  основе архитектуры так называемых «мэйнфреймов» (mainframe – дословно «главный остов, каркас»). Именно в этот период были реализованы важнейшие механизмы мультипрограммирования и поддержки многотерминального многопользовательского режима. Это стало возможным благодаря резко возросшим возможностям ЭВМ, при которых последовательное выполнение только одной программы становилось малоэффективным. В режиме же мультипрограммирования в памяти ЭВМ могут находиться одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре, что приводит к его более интенсивной загрузке, а, следовательно, к повышению производительности всей ЭВМ в целом. Многотерминальный режим позволил осуществить многопользовательскую «виртуально одновременную» работу с машиной нескольких десятков пользователей. Удаленные терминалы стало возможным размещать не только в пределах непосредственной близости от ЭВМ, и таким образом зародились первые прообразы сетевых технологий удаленного доступа посредством телефонных соединений или выделенных линий связи. Многотерминальные системы стали в определенной степени первыми аналогами вычислительных сетей, но при этом сохраняли сущность централизованной обработки информации автономно работающим мэйнфреймом.   

Важной разработкой третьего поколения ВМ стали машины среднего класса (так называемые миниЭВМ) корпорации DEC (Digital Eguipment Corporation – «корпорация цифрового оборудования») – семейства PDP-VAX. Именно в этих машинах впервые была применена «открытая» архитектура с общей шиной. ЭВМ средней производительности характеризовались высокой надежностью, компактностью, малым энергопотреблением и низкой стоимостью по сравнению со стоимостью высокопроизводительных ВМ типа IBM System 360. Это дало толчок к интенсивному применению миниВМ в небольших организациях и фирмах, а также образовательных учреждениях.

В этот период времени продолжалось интенсивное увеличение скорости обработки информации. Появились новые внешние устройства, облегчающие взаимодействие человека с компьютером. Уже в 1968 году Дуглас Энгельбарт из Станфордского института продемонстрировал созданную им систему взаимодействия компьютера с пользователем, состоящую из клавиатуры, указателя типа «мышь» и графического интерфейса, а также некоторые программы, в частности текстовый процессор и систему гипертекста.

Первая мышка Энгельбарта

В 1964 году появился язык программирования Бейсик (BASIC – Beginner`s  All-purpose Symbolic Instruction Code, «многоцелевой символьный программный код для начинающих»), предназначенный для обучения начинающих программистов. Бейсик обеспечивал быстрый ввод и проверку программ. Этот язык не очень подходил для написания серьезных программ, однако он давал общее представление о программировании и позволял быстро овладеть основными навыками программирования. В 1970 году швейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль, который оказался очень удобен для решения многих прикладных задач. Этот язык прекрасно обеспечивал применение методов структурного программирования, что стало необходимым при создании больших программных систем. Продолжалось совершенствование программного обеспечения. Операционные системы строились таким образом, чтобы поддерживать все большее количество внешних устройств, появились первые коммерческие операционные системы и новые прикладные программы.

В 1967 году в СССР была сдана в эксплуатацию одна из лучших в мире ВМ третьего поколения – БЭСМ-6. Легендарная БЭСМ-6 долгое время служила базовой машиной для проведения больших объемов вычислительных работ, обеспечивших  выдающиеся успехи СССР в ядерной физике, атомной энергетике, авиастроении, аэродинамике, ракетно-космической технике, военно-технической промышленности, а также обеспечивших оборонную безопасность нашего государства.

 БЭСМ-6     1967г

Продолжением семейства машин М-20 стали М-220 и М-222. Оригинальная миниЭВМ для инженерных расчетов «Мир» была разработана под руководством В. М. Глушкова. В качестве языка программирования этой ЭВМ использовался «алголоподобный» язык высокого уровня «АлМир». Следует отметить также оригинальные отечественные разработки миниВМ  «Проминь», «Раздан», «Наири».

В СССР по лицензионному соглашению с корпорациями IBM и DEC начали создаваться унифицированные серии «ЕС ЭВМ» (Единая Система ЭВМ), «СМ ЭВМ» (Система Малых ЭВМ)  и микро ЭВМ «Электроника». В их основы были положены модели System 360, 370, PDP.

Дальнейшее развитие вычислительных машин связано с разработкой так называемых больших интегральных схем (БИС). Ещё в 1959 году инженеры фирмы Datapoint пришли к важному выводу о необходимости в ЭВМ центрального арифметико-логического блока, который мог бы управлять программами, вычислениями и устройствами машины. Сотрудники Datapoint имели в виду микропроцессор, принципиальные технические решения которого они и разработали, а затем совместно с корпорацией  Intel стали осуществлять его промышленную доводку.

В 1971 году Эдвард Хофр, работающий в Intel разработал и выпустил первый промышленный образец микропроцессора INTEL-4004, представлявшего собой интегральную микросхему, на которой сосредоточено обрабатывающее устройство с собственной системой команд. Конструкция микропроцессора позволяет применять его для решения широкого круга задач, создавая при этом различные функциональные устройства. Использование микропроцессоров значительно упростило конструкцию ЭВМ. Практически сразу микропроцессоры получили широкое применение в различных системах управления от космических аппаратов до бытовых приборов.

В течение следующих десятилетий продолжалось интенсивное  увеличение быстродействия и степени интеграции микропроцессоров. Появились сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), включающие сотни тысяч и даже десятки миллионов активных элементов в одном кристалле. Это позволило продолжить уменьшение размеров и стоимости ЭВМ и повысить их производительность и надежность. Вычислительные машины, построенные на больших и сверхбольших интегральных схемах (основная из которых – микропроцессор), относят к четвертому поколению ЭВМ (с конца 1970 года) Практически одновременно с микропроцессором появились микро ЭВМ или так называемые персональные ЭВМ (персональные компьютеры – ПК), отличительной особенностью которых стали малые габариты и низкая стоимость. Благодаря своим характеристикам персональные ЭВМ предоставили возможность практически любому человеку познакомиться с вычислительной техникой. ЭВМ перестали быть прерогативой крупных корпораций и государственных учреждений, а превратились в товар массового потребления в настольном исполнении. Именно после выпуска первых персональных ЭВМ в русскоязычной литературе и обиходной речи появился и закрепился термин  «компьютер».

1975 год. Студенты Пол Аллен и Билл Гейтс впервые использовали язык Бейсик для программного обеспечения персонального компьютера "Альтаир". Они же основали фирму Microsoft, являющуюся сегодня крупнейшим производителем программного обеспечения персональных компьютеров

 В 1976 году 26-летний инженер Стив Возняк из компании Hewlett-Packard создал принципиально новый микрокомпьютер. Он впервые применил для ввода данных клавиатуру, подобную клавиатуре пишущей машинки, а для отображения информации - обыкновенный телевизор. Символы выводились на его экран в 24 строки по 40 символов в каждой. Компьютер имел 8 Кбайт памяти, половину из которых занимал встроенный язык Бейсик, а половину пользователь мог использовать для введения своих программ. Этот компьютер значительно превосходил Altair-8800, имевший всего 256 байтов памяти.  Стив Возняк предусмотрел для своего нового компьютера разъем, так называемый «слот», для подсоединения дополнительных устройств.

Первым понял и оценил перспективы этого компьютера приятель Стива Возняка – Стив Джобс. Он предложил организовать фирму для его серийного изготовления. 1 апреля 1976 года они основали компанию Apple.

Новый компьютер Стив Возняк и Стив Джобс назвали Apple-I. В течение 10 месяцев им удалось собрать и продать около 200 экземпляров Apple-I.

       Первый компьютер Apple-1/

В 1977 году корпорация Apple представила следующую модель ПК – Apple II. У новой модели был изящный пластиковый корпус со встроенной клавиатурой. Впервые компьютер приобрел черты относительно недорогого компактного бытового прибора с «дружелюбным» интерфейсом взаимодействия с пользователем. Объемы производства и продаж персональных компьютеров после этого резко возросли.

  Apple-2 на базе процессора 6502

В 1981 году крупнейшая компьютерная корпорация IBM представила свой первый персональный компьютер IBM PC (Personal Computer – «персональный компьютер» ). В течение двух лет было продано более пяти миллионов этих компьютеров. В то же время корпорация Microsoft, основанная в 1975 году Биллом Гейтсом и Полом Алленом, начинает выпуск программного обеспечения для IBM PC.

    IBM PC

В 1984 году корпорация Apple представила компьютер «Macintosh», который в то время благодаря наличию развитого графического интерфейса пользователя в сочетании с большим набором текстовых и графических программ представлял собой идеальный компьютер для небольших офисов, школ и домашнего использования. Это послужило как эффективной рекламой всего класса персональных компьютеров вообще, так и хорошим психологическим толчком к массовым покупкам, а, следовательно, к расширению производства и дальнейшего совершенствования персональных компьютеров. Последующая история разработок вычислительных машин тесно связана  с историей эволюции микропроцессорной техники

. Macintosh

 Стремительное развитие ВМ во второй половине 1980-х годов, создание мини ЭВМ и микроЭВм явились побудительными мотивами прогресса в области параллельных вычислений. Вычислительные комплексы с сотнями и тысячами процессоров стали системами с массовым параллелизмом, позволяющими решать сверхсложные задачи мировой науки, экономики и промышленности, глобальной метеорологии, космической навигации, связи, энергетики и т.п.

Считается, что с 1990 года ведутся разработки компьютеров пятого поколения, ориентированных на эффективную обработку знаний, которая свойственна не только человеку, но может вестись и компьютером с целью решения сложных проблем  принятия адекватных решений.

В 80-х годах также были проведены первые работы по объединению  ресурсов  мини ЭВМ и микро ЭВМ  посредством установления соединений между ними. Впоследствии  это стало основой интенсивного развития локальных вычислительных сетей и их технологий. Первые локальные сети были одноранговые, то есть все компьютеры, включенные в сеть, обладали равными правами и возможностями по отношению к другим  компьютерам сети, а кроме этого все сетевые компьютеры имели примерно одинаковый уровень производительности. Дальнейший прогресс в идеологии распределенной обработки информации привел к внедрению технологии «клиент – сервер» и построению локальных сетей с так называемым выделенным сервером. На сетевую ЭВМ, которая назначалась на роль выделенного сервера, возлагались некоторые служебные функции, например, хранения общей для всех остальных компьютеров сети информационной и программной базы, управления файлами и т.п.  Другими словами, такая ЭВМ являлась по сути обслуживающей для всех остальных рядовых (клиентских) машин (клиентских рабочих станций). Из-за специфического функционального назначения  – обслуживания – за такими ЭВМ и закрепился термин сервер (server от «serve» – «обслуживать»). В зависимости от сложности решаемых задач сервер локальной сети может представлять собой такую же по производительности машину, как и клиентская ЭВМ, а может быть как более производительной машиной, так и менее производительной (что вполне допустимо и экономически оправданно в небольших сетях при малой загрузке сервера).

Последующее объединение малых локальных сетей между собой и создание таким образом крупных локальных сетей, а также необходимость решения более сложных задач существенно увеличивало нагрузку на серверы, в качестве которых все шире стали применяться высокопроизводительные ЭВМ, в том числе многопроцессорные.

Следующим шагом эволюции вычислительных сетей стала интеграция локальных и глобальных сетей, что привело к значительному повышению нагрузки на серверные ЭВМ и применению в качестве глобальных серверов мощных суперкомпьютеров .

Развитие вычислительных сетей потребовало интенсивного развития цифровых средств связи и разработки новых коммуникационно-коммутационных сред.

Будущими поколениями вычислительных машин и систем видимо будут оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом выполняемых операций  и нейронной структурой распределенной сети большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру и работу нейронных биологических систем.

1.3. Основные  понятия вычислительной техники

Вычислительные  машины и вычислительные системы предназначены для автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации. Вычислительные  машины относятся к сложным системам, при их описании и проектировании используются понятия и принципы, определенные в общей теории систем: система, алгоритм, функция, структура, функциональная и структурная организации.

Система — это совокупность элементов или устройств, соединенных между собой для достижения определенной цели. Среди систем выделяют сложные системы. Это качественное понятие. Основными отличительными признаками сложных систем являются очень большое число  составляющих элементов, исчисляемых сотнями тысяч и даже миллионами. Кроме того, эти элементы и узлы разнородны и, как следствие этого — отсутствие единого математического аппарата для описания поведения этих элементов и узлов.

Вычислительная машина — это система, выполняющая заданную, четко определенную последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

Алгоритм — набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для систематического решения задачи.

Для наглядного представления вычислительные  машины и вычислительные системы изображаются в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы (функциональная, структурная) представляют собой ориентированный граф, вершины которого — блоки. В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку в ходе функциональной декомпозиции. В структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам — устройствам, конструктивным узлам, интегральным схемам. В частном случае отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция.

Функция определяет алгоритм работы блока, т. е. правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям.

Структура показывает, как устроен блок, раскрывая его в виде схемы, содержащей блоки более низкого уровня иерархии.

Функциональная организация ВМ (ВС) — это представление ее как абстрактной системы в виде функциональной схемы. В целях большей наглядности и простоты понимания для сложных систем (таких; как ВМ и ВС) используют иерархию представлений. Чем ниже уровень представления, тем проще функции соответствующих блоков.

Структурная организация — это представление системы (блока) в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы.

При описании, проектировании ВМ и управлении вычислительными процессами применяется иерархический подход. При его использовании обеспечивается возможность абстрагирования от ряда деталей при рассмотрении системы в целом. Возможности анализа по частям при переходе к более детальному описанию составляют суть того упрощения, которое дает иерархический подход.

Решению задачи на ВМ предшествуют алгоритмизация и программирование. Алгоритмизация — реализация причинно-следственных связей и других закономерностей в виде направленного процесса обработки информации по формальным правилам. Программирование — разработка программ для ВМ, реализующих заданный алгоритм. В ВМ управление процессами ввода, вывода и обработки информации осуществляется на основе программ. Программа — алгоритм, записанный в виде последовательности машинных команд — кодов, соответствующих некоторым соглашениям, принятым при разработке ЭВМ. Для уменьшения трудоемкости программирования в настоящее время программы разрабатываются на одном из алгоритмических языков высокого уровня. Далее перед исполнением такая программа транслируется в последовательность машинных команд.

На ранних этапах развития ЭВМ реализовали преимущественно вычислительные алгоритмы, что и нашло отражение в самом понятии «вычислительная машина». Обработка, хранение и коммутация сигналов в таких машинах в основном реализуется электронными схемами. Поэтому для вычислительных машин долгое время и использовалась аббревиатура ЭВМ (электронная вычислительная машина). Этот термин появился у первых ЭВМ для их отличия от механических и электромеханических счетно-решающих устройств. В связи с успехами микроэлектроники использование в ЭВМ сложных электронных устройств — сверхбольших интегральных схем (СБИС) стало общепринятым и привычным.

Отметим, что в настоящее время наряду с термином «вычислительная машина» в отечественной литературе часто используется американский термин «компьютер». Этим отдается дань широкому распространению нового класса вычислительной техники — персональным ЭВМ.

 1.4. Феномен персональных компьютеров

Со времени появления первых ВМ (50-е гг. XX в.) сменилось пять поколений, отличающихся элементной базой, функциональными возможностями, быстродействием, архитектурой. В процессе развития расширялась сфера использования ВМ, совершенствовались информационные технологии, изменялись концептуальные принципы организации обработки данных. Статистический анализ показывает, что рост производства средств вычислительной техники (в стоимостном выражении) имеет экспоненциальный характер, но отмечаются периоды спада темпов роста. Эти периоды связаны с пересмотром концепций развития и коренной технологической перестройкой производства средств вычислительной техники. Соответственно можно выделить три этапа.

На первом этапе (50 —70-е гг. XX в.) преобладала централизованная обработка данных на универсальных ВМ в вычислительных центрах. Основной целью развития была экономия машинного времени.

Второй этап (с середины 70-х гг. до середины 80-х гг. XX в.) связан с массовым применением мини и микроЭВМ, созданием и совершенствованием МП и микропроцессорных средств. Основной задачей для использования быстро развивающихся средств вычислительной техники стала разработка эффективной технологии программирования. Этому способствовало создание средств автоматизации разработки программ: в первую очередь языков высокого уровня, режима разделения времени работы ВМ и инте­рактивных систем отладки.

Третий этап (со второй половины 80-х гг. XX в.) связан с массовым распространением ПК. Особенностью этого этапа стало создание высокоразвитого «доброжелательного» системного ПО. ПК в значительной мере ориентированы на использование готовых прикладных программ для информационного обслуживания в различных сферах деятельности. Для эффективного использования ПК во многих областях человеческой деятельности не требуется быть профессионалом-программистом.

Распространение ПК вызвало следующие процессы в общественном производстве: более широкую формализацию знаний в самых различных областях, массовое тиражирование накапливаемых профессиональных знаний в виде прикладных программ, ускорение темпов развития ведущих отраслей общественного про­изводства за счет активного включения формализованных знаний в производственный процесс. Массовое применение ПК побудило перестройку компьютерной индустрии. Основой перестройки стало изменение принципов организации производства ВМ. Ранее полный комплекс работ по созданию определенного типа ВМ выполнялся одной фирмой. Наиболее известны фирмы IBM, DEC, HP, SUN. От такой организации перешли к разделению труда между специализированными фирмами по производству отдельных частей ВМ: МП, платформ, системного ПО, периферийного оборудования, приложений и др. Для обеспечения возможности комплексирования систем из подсистем и средств, разрабатываемых различными фирмами, большое значение приобрели международные стандарты.

Перестройка индустрии привела к расширению возможных вариантов при комплексировании компьютера, ускорению прогресса в области средств обработки информации, снижению удельных затрат на обработку. Повышение производительности и расширение ресурсов ПК позволили улучшить интерфейс с пользователем и расширить его функции, включая трехмерную графику, видео, аудио, сетевые коммуникации. Таким образом, проис­ходит превращение ПК в информационную «супермагистраль», соединяющую в себе функции компьютера, телевизора, телефона и обеспечивающего расширение возможностей и повышение качества информационного обслуживания. Все это привело к тому, что ПК стали предметом массового потребления, число их уже превысило число автомобилей и приближается к числу телевизоров.

Отмеченные особенности развития ПК и соответствующих средств вычислительной техники способствовало притоку больших инвестиций в эту область техники. Вложения в информационные технологии приносят 81 % годового дохода, в то время как в среднем в других областях — 6,3 %. Это способствовало развитию научных исследований и производства. Массовое производство аппаратных средств для ПК существенно повлияло на развитие таких направлений в вычислительной технике, как создание суперкомпьютеров, серверов, индустриальных систем.

ПК в настоящее время — самый распространенный тип систем обработки данных. В начале их развития решаемые задачи были относительно простыми: инженерные расчеты, работа с текстами, бухгалтерский учет и расчеты, игры и т. п. Быстрый рост числа ПК и расширение предъявляемых к ним требований стимулировали опережающий прогресс в области соответствующих МП, элементов памяти, энергонезависимой памяти, периферийных устройств. Ресурсов первых поколений ПК было недостаточно для решения более сложных задач информационного обслуживания, связанных с автоматизацией проектирования в различных областях техники, автоматизацией управления сложными объектами, под­держкой мощных баз данных и т. п. Для этого класса задач развивались рабочие станции, серверы различных классов. Для них создавались свои процессоры (такие, как SPARC, SuperSPARC, Alpha и др.). Однако быстрый прогресс в области ПК привел к тому, что они благодаря своим возможностям и более низкой цене в значительной мере вытесняют рабочие станции и серверы с рынка современных ЭВМ.

Характеристики современных ПК постоянно улучшаются. Однако, даже самый лучший ПК, обеспечивающий производительность порядка 108—109 flops (операций с плавающей точкой в секунду), не может удовлетворить требованиям, предъявляемым к средствам обработки информации такими развивающимися научными направлениями как наука о земле, магнитогидродинамика, исследования вещества, элементарных частиц и их взаимодействий и др. Требуется производительность порядка 1012—1013 flops. Для удовлетворения таким требованиям развиваются суперкомпьютеры на основе векторно-конвейерных процессоров. Альтернативным подходом является создание ВС с массовым параллелизмом. В них широко используются современные МП такие, как Pentium Pro, РЗ, Р4, Alpha, UltraSPARC. В архитектуре этих процессоров заложены возможности объединения их в кластеры и далее в системы с массовым параллелизмом. Большие возможности ПК и массовое производство соответствующих средств обусловило вытеснение рабочих станций с рынка серверов. Следует отметить также тенденции в развитии вычислений с использованием ПК. Уже в настоящее время вычисления становятся сетевыми (с использованием технологий клиент—сервер) и все «более визуальными».

Переход к вычислениям в составе сети, а не на изолированном ПК, обусловлен экономической и вычислительной целесообразностью. В частности, это снижает совокупную стоимость владения изолированным компьютером и расширяет возможности соответствующей ВС.

Отметим некоторые тенденции, связанные с использованием ВМ в технических системах. ВМ и другие средства вычислительной техники в технических системах используются не изолированно (для решения частных задач), а в составе различных по уровню и назначению автоматизированных систем. Для комплексной автоматизации, управления и контроля технических систем создаются иерархические системы комплексного информацион­ного обслуживания, реализуемые в виде гетерогенных локальных вычислительных сетей, объединяющих ВМ с различной архитектурой.

Информационные и управляющие системы, реализуемые на базе средств вычислительной техники, используются во всех фазах жизненного цикла технических систем. На этапе проектирования технических систем — системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированные системы научных исследований (АСНИ). На этапе производства — автоматизированные системы управления (АСУ) и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), в частности, системы числового программного управления станками и робототехническими комплексами. На этапе функционирования (эксплуатации) — системы автоматического и автоматизированного управления, контроля и диагностики.