Первые ЭВМ — это первые версии технического, аппаратного и программного обеспечения, которое предназначалось для производства вычислений.
Введение
Минуло всего около пятидесяти лет со дня появления первой электронной вычислительной машины. За этот относительно небольшой для общественного прогресса промежуток времени поменялось несколько поколений компьютеров, а первые электронные вычислительные машины превратились в музейную редкость. История совершенствования вычислительной техники весьма интересна, так как демонстрирует плотную взаимную связь математики и физики с современными технологическими новшествами, степень совершенства которых предопределяет развитие выпуска вычислительных устройств.
Электронные вычислительные машины прошли в своём развитии несколько этапов. Для компьютерных устройств свойственна частая смена поколений, за столь небольшое по историческим меркам время их сменилось уже четыре, и сегодня в эксплуатации находится пятое поколение компьютеров. Главными отличительными признаками каждого поколения является его элементная база и важнейшие рабочие характеристики. Но при этом всё равно разделение компьютеров на поколения несколько условное. Есть отдельные компьютерные модели, которые по разным признакам можно отнести к разным поколениям. И, тем не менее, невзирая на эту условность, каждое новое поколение электронных вычислительных машин являлось качественным скачком в прогрессе этой сферы.
Особенности функционирования первых ЭВМ
Под электронной вычислительной машиной понимается набор технических модулей, в котором главные рабочие компоненты собраны на элементах электроники и который предназначен для автоматической работы с данными при решении разных задач по вычислениям и обработке информации.
В первом поколении ЭВМ, которое относится к периоду с 1944-го по 1954 год, в качестве основных компонентов использовались электронные лампы.
Электронной лампой является устройство, которое работает на принципе колебаний интенсивности электронного потока, перемещающегося в вакуумном пространстве стеклянной колбы по направлению от катода к аноду. Образование потока электронов осуществляется посредством термоэлектронной эмиссии, то есть выброса электронов с металлических поверхностей при их нагревании. С нагревом металла растёт энергия электронов и многие из них выходят за потенциальный барьер на границе металлической поверхности. Когда на лампу поступает входной сигнал, к примеру, логическая единица в виде напряжения, величиной два вольта, то выходным сигналом лампы будет или логический ноль в виде напряжения менее вольта, или логическая единица. Логическая единица будет в случае, когда напряжение на управляющем электроде лампы, сетке, равно нулю и ток без всяких препятствий проходит от катода к аноду. Когда же на сетку лампы подаётся напряжение с отрицательным потенциалом, то оно препятствует движению электронов от катода к аноду, и, в итоге, не будет тока, то есть на выходе появится уровень логического нуля. На этом принципе действия построена вся логика ламповых компьютеров.
Использование электронных ламп существенно повысило уровень вычислительных возможностей ЭВМ и ознаменовало переход от использования реле в вычислительной технике к лампам, на которых и строилось первое поколение ЭВМ.
Недостатки ламповой техники
Применение электронных ламп тормозила их не высокая надёжность, значительное потребление энергии и немалые размеры. Конструкция первых ЭВМ обладала просто огромными размерами и могли занимать больше одного помещения в научных учреждениях. Обслуживать такую технику было очень непросто, лампы всё время ломались, вызывая сбои ввода информации, появлялось большое количество разных проблем. Также очень большими и дорогими были блоки питания ламповых ЭВМ, требовалось проложить силовые кабеля, питающие ЭВМ, и выполнять сложную разводку кабелей к каждому элементу. Ещё необходимо было обеспечить хорошее охлаждение ламповых блоков, так как они сильно нагревались и лампы часто не работали из-за перегрева.
Невзирая на эти сложности, электронные вычислительные машины получили широкое развитие, их быстродействие росло и достигало уровня тысяч операций в секунду. Оперативная память вмещала примерно две тысячи машинных команд. ЭВМ первого поколения управляющую программу сохраняла в памяти, при этом применялась обработка машинных слов в параллельном режиме. Проектируемые ЭВМ того времени, как правило, были универсального назначения и применялись для работы в научно-технических целях. Затем выпуск ЭВМ пошёл в серию, и они начали применяться и в сфере бизнеса и коммерции.
Архитектура ЭВМ
Тогда же появилась и развивалось архитектурное построение ЭВМ Фон-Неймана, причем отдельные положения, положенные в основу ЭВМ первого поколения, действуют и сегодня.
Базовые аспекты проектирования ЭВМ, выработанные Фон-Нейманом в 1946-ом году, следующие:
- Работа ЭВМ должна быть основана на бинарной системе счисления.
- Операции, подлежащие выполнению на ЭВМ, представляются в форме программы, которая состоит из набора последовательных команд. Все команды должны содержать операционные коды, адреса операндов и комплект необходимых признаков.
- Набор команд должен сохраняться в памяти машины в двоичном кодировании.
- Организация памяти должна основываться на иерархической структуре, поскольку быстродействие модулей памяти меньше, чем у логических элементов.
- Все арифметические действия надо выполнять только через операцию сложения, а формирование отдельных модулей не имеет смысла.
- Чтобы повысить быстродействие следует применять параллельные вычислительные процессы, то есть действия над словом должны осуществляться одновременно над всеми его разрядами.
Нужно заметить, что машины первого поколения проектировались не на пустом месте. В те времена уже имелся опыт в сфере проектирования электронных устройств, к примеру, в радиолокации и так далее.
