История развития Вычислительной техники(ВТ)
I. Механические счетные устройства
а) 1642 - Паскаль. Суммирующая машина.
б) 1694 - Лейбниц ; Арифмометр
в) 1833-1870. Бэббидж. Аналитическая машина.
Эпизод работы  машины Бэббиджа
Заключение по  машине Бэббиджа
II. Электро-механические счетные устройства  1940-1960. Релейные машины(РМ).
а) общие сведения
б) Физика РМ
в) Арифметика электрических сигналов
г) БАЗОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ - электромагнитное реле
д) Быстродействите  релейной  машины
III. Электронные вычислительные машины
IV. Оптические компьютеры
ЗАПОЛНИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО !!!

История развития Вычислительной техники(ВТ)

 Считается , что История вычислительной техники берет начало
 с изобретения Десятичной ПОЗИЦИОННОЙ системы счисления.

 В непозиционных системах счисления оперировать большими числами НЕВОЗМОЖНО
 ( Умножьте XLXXXIV на IXVII = ? )

Другими словами, пока не умели записывать  числа, как мы сейчас пишем, считать не умели, и вычислительные машины  были не нужны.

Как  только научились записывать числа в десятичной системе, оказалось, что умножать и  делить большие числа  сложно  и ученые стали  изобретать всевозможные счетные устройства. 

Вот некоторые из них. 

 I. Механические счетные устройства
 --------------------------------
 ....... их существовало огромное множество..................
 Наиболее выдающимися были :

 а) 1642 - Паскаль. Суммирующая машина.
 --------------
 Позволяла только складывать многоразрядные числа.

 Конструкция была основана на счетных зубчатых колесах. Результат хранился в 3-х РЕГИСТРАХ, который состоял из 20 колес, по 10 зубьев в каждом. Каждое колесо соответствовало одному разряду числа , а каждый зубец – цифре в разряде. Простота конструкции машины позволила ее тиражировать.
 Был реализован автоматический перенос 1 в старший  разряд при переполнении младшего.
 
Зубчатые колеса - элементная база машины Паскаля 

б) 1694 - Лейбниц ; Арифмометр
Позволял выполнять 4 арифметических действия над многоразрядными числами.

Базовый элемент машины Лейбница - зубчатые колеса 

 ( Конструкция была настолько удачна ,что арифмометр просуществовал без серьезных изменений до 20 века.( В 1951 в СССР был прекращен выпуск механических арифмометров "Феликс") )

 в) 1833-1870. Бэббидж. Аналитическая машина.

Это первая АВТОМАТИЧЕСКАЯ счетная Машина, работающая по ПРОГРАММЕ .(первая программируемая машина !!! )

Принцип  работы машины Бэббиджа такой же, как и у ЭВМ. Это автоматическая работа.
Автоматическая  означает  самостоятельное выполнение расчетов без участия  человека. 

Каким  образом  реализовать автоматическую  работу вычислительной машины ? 
За  счет ПРОГРАММИРОВАНИЯ.  Работа  машины должна быть ЗАПРОГРАММИРОВАНА

Основные  функциональные блоки машины Бэббиджа  были такими же, как у современных ЭВМ.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ   СХЕМА  МАШИНЫ  БЭББИДЖА

Устройство
УПРАВЛЕНИЯ
(контора)

ПРОГРАММА
на перфокартах

 

Устройство 
ВВОДА

ПАМЯТЬ
(склад)

Устройство 
ВЫВОДА

   Данные
   На перфо-
   картах

АРИФМЕТИЧЕСКОЕ
УСТРОЙСТВО

 

Назначение  функциональных  блоков  машины  БЭББИДЖА

1	Устройство
ВВОДА	Читает данные  с перфокарт  и  записывает их  в память	
2	ПАМЯТЬ
(склад)	Хранит исходные данные  и  результаты вычислений
(окончательные и промежуточные) 	
3	Арифметическое
устройство
(мельница)	•	Читает числа из памяти
•	выполняет над ними арифметические операции
•	записывает результат вычисления в память	
4	Устройство 
ВЫВОДА	Читает результат вычислений из ПАМЯТИ
Выводит его на бумагу (пишущая машинка)	

5	Устройство
УПРАВЛЕНИЯ
(контора)	Управляет работой других блоков  (на основе  программы)

Читает команды ПРОГРАММЫ с перфокарт и организует их исполнение, посылая управляющие сигналы остальным функциональным блоками	

Эпизод работы  машины Бэббиджа 

Задача
Необходимо на  машине Бэббиджа рассчитать средний вес учеников  вашего класса. 

Для этого надо ввести в память машины значение веса  каждого ученика,
    затем сложить эти веса 
    и разделить на число учеников в классе. 

Для этого  :

1) составляется программа, которая заносится на перфокарты
2) колода перфокарт вставляется в устройство управления(УУ) и машина включается   

3)УУ читает 1-ю перфокарту с 1-й командой программы. Расшифровывает ее. По смыслу это должна быть команда чтения веса 1-го ученика.
  УУ  посылает управляющий сигнал в Устройство ВВОДА(УВВОДА). 

4)УВВОДА, получив сигнал от УУ, читает перфокарту с первым числом и записывает его в память.  Посылает обратный сигнал  в  УУ  о выполнении операции.

5) УУ,  получив  обратный сигнал,  читает следующую  перфокарту со 2-й командой.
   по смыслу – это д.б.  чтение карты с весом 2-го ученика. УУ  сигналит об этом УВВОДА

. . . . . и т.д.  

пока  не будут выполнены все команды чтения исходных данных, и все исходные данные не будут записаны  регистры памяти.

6) Далее  в программе должны идти  команды  суммирования  чисел, хранящихся в памяти
УУ  читает следующую карту программы с 1-й командой суммирования и посылает управляющий  сигнал  АРИФМЕТИЧЕСКОМУ устройству (АУ)  

7) АУ, получив сигнал УУ, читает из памяти  2 числа и складывает  их.
   Полученную сумму записывает в  свободный регистр памяти. 
   Посылает обратный сигнал  в  УУ  о выполнении операции.

8) УУ,  получив обратный  сигнал о завершении 1-й арифметической операции, читает следующую карту с  арифметической командой программы  .....   и  т.д.,  пока не будут  прочитаны  и выполнены все  арифметические  команды программы.

9) Последней командой программы должна быть команда вывода результата.  
   УУ  читает карту с этой командой и  посылает управляющий сигнал на 
   Устройство ВЫВОДА(УВыв).

10) УВыв,  получив сигнал  от УУ,  читает окончательный результат (значение среднего  веса) из регистра памяти,  в котором он хранится и  выводит его  на бумагу

11) Машина  завершает  свою работу,  так как   в УУ  прочитаны все  карты  с командами программы 

 Заключение по  машине Бэббиджа

 Ожидаемое быстродействие:
 Сложение-вычитание двух многоразрядных чисел – 1-2 секунды
 Умножение-деление                            - 1 мин. 
 
 Первым программистом была дочь Байрона - Ада Лавлейс( в ее честь
 назван один из языков программирования АДА )

 Машина Бэббиджа так и не заработала.
 Причина тому - механическая элементная база.
 В распоряжении Бэббиджа были только механические элементы : зубчатые
 колеса, рычаги, винты , ...

 На  механической элементной базе  вычислительную машину такой сложности создать не удалось.

 II. Электро-механические счетные устройства
 1940-1960. Релейные машины(РМ).
 
 а) общие сведения
 ..............
 
 Эти машины активно использовались у нас в стране и за рубежом для
 научных, экономических и прочих  расчетов.  РМ составляли реальную конкуренцию первым ЭВМ.

 Быстродействие РМ 1-10 операций в сек.

РМ были вытеснены электронными из-за принципиальной невозможности увеличения их быстродействия

 б) Физика РМ
Элементная база  -  ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ
информация ПЕРЕДАВАЛАСЬ -- по проводам в виде электрических сигналов
Хранилась и обрабатывалась в блоках, представлявших собой электрические схемы , собранные из ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ( реле )

в) БАЗОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ - электромагнитное реле
 Реле - это электромагнитный  выключатель.
 Механические контакты главного контура замыкаются/размыкаются путем
 подачи управляющего электрического сигнала на электромагнит.

Рис.3
г) Арифметика электрических сигналов
 ..........

Из выключателей(реле) можно собрать электрическую схему Арифметического устройства, а так же  ЗАПОМИНАЮЩЕЕ устройство.              

Двоичное
Обрабатывающее
    устройство

0
1
1

1
0
1

 

 Входные сигналы, пройдя через схему, составленную из реле, будут преобразованы в набор выходных сигналов

д) Быстродействите  релейной  машины

Главная характеристика реле , как базового элемента вычислительной машины
- это ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ.
 Это время, которое необходимо для перевода реле из состояния  ВКЛ --> в ВЫКЛ (или наоборот).

 минимальное Время срабатывания самого быстрого реле равно 0.01 сек. Т.е ( Быстрее чем за 0.01 сек реле не переключить !!!)

 Самым медленным элементом реле являются механические контакты.
 Контакты реле невозможно перемещать быстрее чем за 0.01 сек.
 Это физический предел.

ВРЕМЯ срабатывания базового элемента определяет быстродействие всей вычислительной машины.

 Для выполнения одной арифметической операции требуется переключить
 одно за одним несколько реле( от 10 до 100).

 Таким образом, на 1 операцию требуется НЕ МЕНЕЕ 0.1 сек.
Следовательно, за 1 сек можно выполнить НЕ БОЛЕЕ 10 операций.
10 оп/сек - это предел быстродействия Релейных машин.

Быстродействие РМ невозможно увеличить из-за наличия механических контактов в базовом элементе

 III. Электронные вычислительные машины

  С  1940 - .... до наших дней

Быстродействие вычислительных машин было резко повышено благодаря переходу на новую элементную базу.

 Базовым элементом ЭВМ является ТРИОД.

 Триод - это электронный выключатель. Это чисто электронный элемент(без механики).
 Триод позволяет управляющим сигналом включить или выключить главную электрическую цепь

триод

Основной ток

Управл. (5 вольт) - ВКЛ.  
сигнал  (0 вольт) - ВЫКЛ

 

Из выключателей-триодов (так же как из реле)  можно собрать электрическую
схему арифметического устройства и запоминающее устройство.

Причиной резкого повышения быстродействия является очень малое
время срабатывания триода , равное 10^-9 сек( 1  милиардная доля сек.)

Если для выполнения 1 арифметической операции необходимо переключить
один за другим от 100 до 1000 триодов то на это потребуется
 (10^-9) * 1000 = 10^-6 сек

НЕ БОЛЕЕ 1 миллионной доли секунды.

Следовательно за 1 секунду будет выполнено НЕ МЕНЕЕ МИЛЛИОНА операций.

Таким образом, столь высокое быстродействие ЭВМ объясняется высокой скоростью срабатывания базового элемента(триода) 

 IV. Оптические компьютеры

 Если заменить электрический сигнал импульсом света , то быстродействие может быть  увеличено в 1000-чи  раз

 Базовый элемент - оптический выключатель, с временем срабатывания 
 1 пикасек (10-12  сек ) 

Существует оптический аналог триода, оптический выключатель. 
Это кристалл, который имеет два устойчивых состояния.
Он может: 
   1 - пропускать лазерный луч 
   0 - не пропускать 

Оптич.
триод

  
   лазерный      
   луч

Управлять оптическим триодом можно  путем изменения интенсивности входного луча.
Увеличение интенсивности  ВКЛЮЧАЕТ  кристалл (делает прозрачным)
Уменьшение интенсивности  ВЫКЛЮЧАЕТ кристалл (делает НЕпрозрачным)

Время срабатывания оптического триода  равно 1 Пикасекунде (10-12 сек )

Быстродействие оптического компьютера будет измеряться МИЛЛИАРДАМИ операций в секунду

 Фантазии :
 Передача - световые сигналы по оптическим волокнам
 Обработка - схема на оптических выключателях
 Хранение - традиционные ???

 ЗАПОЛНИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО !!!
Основные  характеристики  4-х вычислительных машин
N	 Характеристика	Машина Бэббиджа	РЕЛЕЙНАЯ машина	ЭВМ	Оптический
компьютер	
1	Физическая основа функционирования Вычислительной машины	Механическая	Электро-механическая	Электронная	Оптическая	
2	Базовый  элемент	Счетное зубчатое колесо	реле	триод	Оптический
выключатель	
3	Время срабатывания
базового элемента
сек	-	0,01	10-9  сек	10-12  сек	
4	Быстродействие
Операций в сек	1 сек на сложение
(вычитание)

1 мин на умножение
(деление)	10	1 млн	1 млрд	
5	Автоматическая работа по программе	Да	Да	Да	Да