Первые вычислительные устройства
Потребность в автоматизации вычислений возникла у человека очень давно - задолго до появления компьютеров. Вначале для этого использовались простейшие "устройства": счетные палочки, камни, пальцы и т.д. Где-то 1500 лет назад (а может быть и значительно раньше) появилось первое механическое вычислительное устройство - счеты.
В 1642 году Блез Паскаль изобрел и сконструировал механическое устройство, выполняющее сложение чисел, а немногим позже - в 1673 году - Готфридом Вильгельмом Лейбницем был создан арифмометр, который позволял выполнять четыре арифметических действия . В XIX веке подобные устройства получили довольно широкое распространение, в основном они использовались при составлении баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Cуществовала даже специальная профессия - счетчик - человек, работающий с арифмометром. Однако арифмометр был достаточно малоэффективным устройством, так как даже десятки счетчиков могли работать по нескольку недель или даже месяцев. Причина этого проста: ввод данных и вывод результатов осуществлялись человеком, а скорость его работы, как известно, очень невысока.
В первой половине 19 века английский математик Чарльз Беббидж задался целью построить универсальное вычислительное устройство, которое должно было бы работать без участия человека. Для этого она должна была бы исполнять программы, вводимые с перфокарт (перфокарты в то время уже широко использовались в ткацких станках), а также иметь память для хранения исходных данных и промежуточных результатов.
Эта машина значительно превосходила по своему уровню уровень развития техники того времени, поэтому Бэббидж не смог довести работу над реализацией своего проекта до конца. Однако он разработал все основные идеи, и в 1943 году американец Говард Эйкен на их основе смог построить на одном из предприятий фирмы IBM подобную машину на основе электромеханических реле, которая получила название "Марк-1". Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Корандом Цузе, который в 1941 году построил аналогичную машину.
К тому времени потребность в автоматизации вычислений настолько возрасла, что над созданием машин, подобных машинам Эйкена и Цузе, работало еще несколько групп исследователей. В 1943-м группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать аналогичную машину на основе уже электрических ламп, а не реле. Созданная ими машина ENIAC работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, но для задания программы приходилось несколько часов или даже дней подключать необходимым образом провода.
В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В своем докладе он ясно и просто изложил основные принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Фон Нейман описал, каким должен быть компьютер, чтобы он был универсальным и удобным средством для обработки информации. Он прежде всего должен иметь следующие устройства:
- Арифметическо-логическое устройство, которое выполняет арифметические и логические операции
- Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ
- Запоминающее утройство для хранения программ и данных
- Внешние устройства для ввода-вывода информации.
Принципы функционирования ЭВМ, разработанные фон Нейманом, оказались настолько хороши, что они (с небольшими изменениями) до сих пор используются в современных компьютерах.
Электронные вычислительные машины
Однако разработать схему устройства машины мало - надо ее еще и построить. Очевидно, что приемлемого результата при использовании для этих целей механики достичь невозможно, то есть машина должна быть электронной. Компьютеры 40-х - 50-х годов были очень громоздкими, потому что создавались на основе электронных ламп, да и к тому же потребляли сумасшедшее количество энергии. Следует также добавить, что в среднем каждые 10 минут одна из ламп, а их число могло достигать нескольких десятков тысяч, перегорала, что делало ЭВМ очень ненадежной и малоэффективной - на замену одной лампы обычно требовалось несколько часов. Такие недостатки компьютеров очень сильно мешали их распространению, потому что очень немногие организации могли позволить себе покупать ящики с дорогостоящим оборудованием и содержать группу обслуживающего персонала, да и к тому же быстродействие тогдашних компьютеров было более чем неудовлетворительным.
Первый шаг к уменьшению размеров и повышению быстродействия ЭВМ стал возможен благодаря изобретению в 1948 году полупроводниковых транзисторов. В 50-х годах прошлого века были найдены дешевые способы производства транзисторов, и к их концу годов появились компьютеры, собранные на полупроводниках. Единственным устройством компьютера, где не удалось заменить лампы, были блоки памяти, но там стали использовать схемы на основе изобретенных тогда магнитных сердечников (своего рода конденсаторов).
К середине 60-х годов развитие технологии позволило создать еще более миниатюрные компьютерные устройства, и фирма Digital Equipment выпустила в 1965 году компьютер размером с холодильник, который назывался PDP-8 и стоил около 20 тысяч долларов. Но к тому времени был подготовлен еще один шаг к совершенствованию PC - были изобретены интегральные схемы.
До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и спаивать вручную. В 1958 году Джек Кибли придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. Годом позже Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) открыл более совершенный метод, который позволял на одной пластине создавать и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Такие электронные схемы стали называть интегральными схемами, или чипами. В дальнейшем количество элементов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, быстро увеличивалось (то есть повышалась интеграция элементов), и в 1968 году фирма Burroughs выпустила первый компьютер, основанный на интегральных схемах, а в 1970 году Intel стала продавать интегральные схемы памяти. Изобретение чипов не только привело к уменьшению габаритов устройств компьютера (а, следовательно, и размеров самих РС), но также позволило резко уменьшить их стоимость.
Создание микропроцессора
В том же 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из той же Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ, то есть создал первый микропроцессор, который получил название Intel-4004. Он был выпущен в продажу в конце года. Правда, возможности этого процессора были куда скромнее, чем у большой ЭВМ (он обрабатывал одновременно только четыре бита информации), но фирма Intel в 1973 году выпустила более мощный процессор Intel-8008 (уже 8-битовый), а вскоре создала усовершенствованную его версию, Intel-8080, которая получила большую популярность и де факто стала стандартом для микропроцессорной индустрии 70-х годов.
Вначале эти процессоры, как ни странно, никакого отношения не имели к компьютерам - они в основном использовались электронщиками-любителями и в различных специализированных устройствах. Но в 1974 году объявили о создании на базе микропроцессора Intel-8008 компьютера. Годом позже на основе Intel-8080 появился Алтаир-8800 - первый компьютер предназначенный для массового покупателя. Этот компьютер, разработанный фирмой MITS, продавался по цене около 500 USD, и за довольно коротий срок было продано несколько тысяч таких машин, несмотря на то что возможности ее были очень ограничены - объем оперативной памяти составлял всего 256 байт (да-да, именно байт!), а клавиатура и экран отсутствовали вовсе, и пользователям поэтому приходилось покупать недостающие устройства и ставить дополнительную память. В конце 1975 года Билл Гейтс и Полл Аллен, будущие основатели Microsoft, создали для этого компьютера интерпретатор языка Basic, что позволило относительно просто общаться с PC и писать для него программы, а это в свою очередь способствовало все большей популяризации персональных компьютеров.
К концу 70-х годов прошлого века производством компьютеров уже занялось довольно много фирм. Теперь они продавались в полной комплектации, с монитором, клавиатурой и другими периферийными устройствами; спрос на них составлял уже десятки и даже сотни тысяч штук в год. Росту популярности персональных компьютеров способствовали также появившиеся тогда прикладные программы - текстовые и табличные процессоры, программы для финансовых расчетов и так далее.
Появление IBM PC
Большое распространение PC к концу 70-х годов привело к падению спроса на большие ЭВМ, что стало серьезной причиной для беспокойства руководства фирмы IBM (International Business Machiens Corporation) - ведущей компанией по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила начать пробный выпуск персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность своей идеи (в то время персональный компьютер все еще довольно часто рассматривался как нечто вроде занятной игрушки) и видела в ней всего лишь мелкий эксперимент - наподопие одной из десятков тысяч проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Поэтому, чтобы не тратить время и деньги, подразделению, ответственному за данный проект, была предоставлена невиданная в IBM свобода; в частности, ему было позволено использовать в компьютере блоки, уже изготовленные другими фирмами. И оно сполна использовало предоставленный шанс.
Прежде всего, данный компьютер базировался на новом 16-разрядном процессоре Intel-8088 (см. процессоры), который мог адресовать до 1 Mb оперативной памяти (в то время как все имеющиеся тогда микропроцессоры могли работать не более чем с 64 Kb). В компьютере также были использованы различные комплектующие других различных сторонних фирм, а программное обеспечение для него было поручено разработать небольшой (тогда) фирме Microsoft. И в августе 1981 года этот компьютер был официально представлен публике под названием IBM PC, а через один-два года он занял ведущее место на рынке, вытеснив предыдущие модели. Де факто IBM PC стал стандартом для персонального компьютера, и сейчас "совместимые с IBM PC" компьютеры составляют более 95% всех производимых в мире РС.
Принцип открытой архитектуры
Если бы IBM PC был сделан также, как и другие компьютеры того времени, то он устарел бы уже через несколько лет. К счастью (для нас) в IBM PC была заложена возможность модернизации его отдельных частей и использования новых устройств. То есть IMB сделала РС не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. При этом методы этой сборки не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил персональным компьютерам огромный успех во всем мире, хотя и лишил IBM возможности в полной мере воспользоваться плодами этого успеха.
Эта открытость заключается в том, что все спецификации функционирования устройств компьютера и их взаимодействия между собой являются стандартными, и любой производитель может, руководствуясь этими стандартами, свободно начать производство какого-либо устройства не заботясь о его совместимости с устройствами других производителей. Так оно и случилось, и через несколько лет на рынке уже предлагалось множество различных комплектующих для IBM PC.
Выгоды открытой архитектуры:
- Конкуренция между производителями привела к удешевлению компьютерных комплектующих, а значит и самих компьютеров
- Появление большого количества компьютерного оборудования позволило покупателям расширить свой выбор, что также способствовало снижению цен на комплектующие и повышению их качества
- Модульная структура компьютера и простота сборки позволила пользователям самостоятельно выбирать необходимые им устройства и с легкостью производить их установку, также стало возможным без особых сложностей в домашних условиях собирать и модернизировать свой компьютер
- Возможность модернизации привела к тому, что пользователи смогли выбирать компьютер исходя из своих настоящих потребностей и толщины кармана, что опять-таки способствовало все большей популярности персональных компьютеров.
Дальнейшее развитие IBM PC
На первых порах открытость архитектуры была выгодна IBM - она обеспечила им коммерческий успех, и фирма смогла выпускать новые модели PC, сохраняя совместимость со старыми. В 1983 году был выпущен IBM PC класса XT, имеющий встроенный жесткий диск; в 1985 - IBM PC AT на базе нового процессора Intel-80286, работающий в несколько раз быстрее IBM PC XT.
Однако скоро другие фирмы перестали довольствоваться ролью только производителей комплектующих, и начали выпуск своих компьютеров. Они стали перенимать все разработки IBM (например, видеоадаптеры CGA, EGA и VGA), а за счет того, что они не тратили денег на исследования и разработки, их компьютеры стоили намного дешевле аналогичных компьютеров IBM. Зачастую эти фирмы быстрее реализовывали новейшие технические достижения, чем сама IBM. Так, первые компьютеры на основе процессора Intel-80386 были выпущены уже не IBM. Таким образом, фирма постепенно утратила монополию в области компьютерного производства, и дальнейшие ее попытки вернуть утраченное не увенчались успехом. Компьютеры на базе процессоров 80486 и в дальнейшем Pentium, стандарт SVGA, интерфейсы USB и IEEE1394, технологии DVD и были разработаны десятками других крупных (и не очень) компьютерных фирм.
Так что теперь характеристика "IBM PC" вовсе не означает, что компьютер сделан в IBM, точно так же как не каждый автомат Калашникова сделан самим Калашниковым. Более того, сейчас большинство компьютеров и комплектующих делается не в США, а в Юго-Восточной Азии (Сингапур, Малайзия, Таиланд, Филиппины, Тайвань, Южная Корея и т.п.), где их производство обходиться значительно дешевле. Наибольшее влияние на развитие компьютерной индустрии в настоящее время оказывает фирма Intel, один из крупнейших производителей процессоров, а также Microsoft, ведущий разработчик программного обеспечения для IBM PC.
Ограниченность области применения современных PC
Персональные компьютеры являются одним из наиболее распространенных видов используемых компьютеров. Их мощность быстро увеличивается, и уже сейчас она достаточно внушительная. Современные РС позволяют хранить сотни гигабайт информации и осуществлять к ней доступ за миллисекунды, передавать информацию при помощи коммуникационных сетей, с довольно большой скоростью выполнять сложные математические вычисления. Однако все же этих (казалось бы больших, хотя, с другой стороны, все познается в сравнении) возможностей зачастую не хватает.
Первый пример - обработка больших объемов информации. Персональный компьютер можно вполне успешно использовать для создания базы данных довольно приличного объема, особенно если время доступа не является критическим. Но для создания очень большой базы данных, к которой одновременно за минимальное время должны получать доступ многие сотни или даже тысячи клиентов понадобится что-то более быстродействующее, чем PC. В качестве наглядного примера можно привести обычную поисковую систему. К серверу ежедневно происходит до нескольких сотен тысяч и более обращений, и вы, вероятно, обратили внимание, как быстро, всего через несколько секунд после отпраки данных, генерируются страницы с результатами поиска. Примерно то же можно сказать и о почтовых серверах.
Другим примером являются интенсивные вычисления. Персональный компьютер вполне можно использовать для различных относительно сложных инженерных и прочих, требующих активных математических вычислений, расчетов. Например, расчет основных характеристик конструкции, состоящей из десятков или сотен тысяч элементов, еще может быть выполнен на PC, но такой же расчет для конструкции, содержащей десятки миллионов элементов, на персональном компьютере будет выполняться настолько долго, что, когда он все же выполнится, его результаты, наверное, будут уже не нужны. Простейший практический пример - далеко не совершенная графика в современных играх.
Еще одна область, где в настоящее время активно применяются ЭВМ - создание компьютерного видео. Современный PC еще позволяет создавать не очень сложные анимационные фильмы (хотя даже на этом уровне все необходимые расчеты могут выполняются довольно медленно), но для создания полноценных фильмов с множеством фотореалистичных эффектов его возможностей оказывается, мягко говоря, маловато. Впрочем, графические станции на основе IBM PC существуют уже достаточно долго, но в то же время крупные видеостудии предпочитают использовать в этих целях более специализированную технику. Еще можно сказать, допустим, о моделировании мира полноценной виртуальной реальности, создании искусственного интеллекта. Однако невозможность сегодняшнего решения таких задач на РС лишь подтверждает начальный развития компьютерных технологий в настоящее время и то, что в будущем такое, надо думать, станет возможным.
Тем не менее, все сказанное выше в данной статье ничуть не умаляет достоинств современных PC, а только подтверждает, что они не являются средством решения любых задач на все случаи жизни, и не стоит требовать от них чересчур много. Ведь не зря мы начали нашу энциклопедию с соответствующих слов. Этот лозунг написан на дверях Intel и в оригинале звучит как "It is a way to..." - вместо многоточия каждый может поставить то, что ему больше нравится. Имено "в...", а вовсе не к бескрайним просторам интернета.
