4. Обчислювальна техніка

Обчислювальна техніка широко використовується при розв'язанні теоретичних задач, задач керування, проектування, конструювання й автоматизації підготовки технологічних процесів на виробництві.

Механічні обчислювальні пристрої були відомі ще у XVII в. У 1645р. Блез Паскаль уперше побудував підсумовувальну машину, удосконалену в 1694 р. Г. Лейбницем.

Винахідником першої механічної обчислювальної машини вважається англійський математик Чарльз Беббідж, який в 1823 р. запропонував структуру автоматичного обчислювача, що містив ті ж самі основні пристрої, що і сучасні комп'ютери. Однак ідея обчислювальної машини випередила свій час і технічне втілення спочатку не отримала, хоча й були створені механічні обчислювачі типу арифмометрів.

У 1874 р. В.Т. Однер розробив перший арифмометр, а в 1878 р. П.Л.Чебишев виготовив пристрій для виконання чотирьох арифметичних дій. У 1887 р. інженер Фельт створив першу клавішну підсумовувальну машину - комптометр Фельта. Перша математична машина для інтегрування диференціальних рівнянь була виготовлена в Петербурзі у 1912 р. А.Н.Криловим за участю механіка Р.М. Ветцера. У США в 20-х рр. інтеграторами займався В. Буш. У 1935 р. у СРСР почалися розробки гідравлічних пристроїв для розв'язування диференціальних рівнянь. У 1944 р. були побудовані ряд електромеханічних машин, в тому числі і "Марк-1", в яких використовувалися принципи та елементи (перфокарти) лічильно-аналітичних машин. Вони могли розв'язувати досить складні задачі, але мали невелику швидкодію.

Стрімкий розвиток обчислювальної техніки почався тільки з появою та удосконаленням електронних приладів наприкінці 40-х рр. XX в.

Великий розрив в часі між появою ідеї універсальної обчислювальної машини (перша чверть XIX в.) і її широкою практичною реалізацією (середина XX в.) обумовлений відсутністю елементної бази, тобто тих своєрідних "цеглинок", з яких утворюється "будинок" сучасних комп’ютерів. Розробка електронно-вакуумних ламп і дослідження їх параметрів дозволили створити електронно-обчислювальні машини (ЕОМ), перша з яких з'явилася в 1946 р. у США і мала назву ЕNІАC (Elektronic Numerical Integrator and Calculator). З цього починається історія поколінь сучасних ЕОМ. Під поколінням розуміють усі типи і моделі ЕОМ, побудовані за одними і тими самими науково-технічними принципами, незалежно від місця розробки (країни, фірми і т.д.). Теорія сучасних математичних машин створена Норбертом Вінером.

Електронною обчислювальною машиною (комп'ютером) називається взаємозалежна сукупність пристроїв, основні функціональні елементи яких побудовані на електронних приладах. ЕОМ призначена для обробки інформації відповідно до заданого алгоритму, при реалізації якого вихідні дані перетворюються в результати розв’язання задач.

В першому поколінні ЕОМ (середина 40-х- 50-х рр.) елементна база була побудована на електронно-вакуумних лампах. В якості пасивних елементів використовувалися резистори і конденсатори. ЕОМ ЕNІАC містила 20 тис. електронних ламп, з яких щомісяця замінювалися до 2 тис. Швидкодія складала 10...20 тис. операцій у секунду. Програмування здійснювалося в машинному коді математиком-програмістом, що працював за пультом. Дані уводилися з перфокарт. Машина була громіздкою і мала масу 30 т. ЕNІАC використовувалася в основному для військових розрахунків – визначення траєкторій ракет.

В другому поколінні ЕОМ (середина 50-х - 60-х рр.) активними елементами були напівпровідникові прилади (транзистори і діоди), пасивними елементами – удосконалені резистори і конденсатори. Першою напівпровідниковою ЕОМ стала модель RСА-501 - США (1959 р.). У СРСР до другого покоління відносилися машини "Мінськ-22" - перша "інженерна" машина, БЭСМ-6 і інші. Швидкодія даних машин - 1 млн. операцій у секунду. Програмування здійснювалося на алгоритмічних мовах. Експлуатація істотно спростилася. При виході з ладу тих чи інших елементів замінювалася окрема плата, що зменшувало час на усунення відмов. Можливим став пакетний режим роботи, коли в ЕОМ послідовно вводяться декілька програм.

В третьому поколінні ЕОМ (середина 60-х - 70-х рр.) елементну базу утворювали інтегральні схеми, призначені для реалізації визначених функцій. Вони з'явилися в 1962 р. і створювалися на напівпровідникових пластинах кремнію. На площі 1 мм² містились десятки транзисторів, діодів, резисторів і конденсаторів. Був реалізований принцип програмної сумісності, коли програми, розроблені для однієї ЕОМ, могли використовуватись і на інших ЕОМ тієї ж серії.

Перша ЕОМ на інтегральних схемах була випущена у 1965 р. в США фірмою ІВМ (IBM-360). Швидкодія ЕОМ третього покоління - мільйони операцій у секунду. З'явилися дисплеї для візуального контролю інформації, а також графобудівники - для автоматизованого створення графіків та схем.

ЕОМ четвертого покоління (середина 70-х рр. - дотепер) виготовляються на основі великих інтегральних схем (ВІС). ВІС містять десятки - сотні тисяч елементів на одному кристалі. На базі ВІС удалося створити мікропроцесор - елемент ЕОМ, що включає арифметично-логічний пристрій і пристрій керування. З'явилися персональні ЕОМ (ПЕОМ), орієнтовані на індивідуальну роботу користувача. Почалося формування мереж ЕОМ – комплексів з декількох або багатьох комп'ютерів, розташованих на значних відстанях один від одного і з'єднаних між собою спеціальними лініями зв'язку для обміну інформацією і розв'язання спільних задач.

П'яте покоління ЕОМ - перспективне, знаходиться в стадії розробки. Існують проекти різних країн і фірм, серед яких особливо виділяються японські проекти. Основні напрямки даних розробок:

- створення неелектронної елементної бази оптичного типу з використанням світлових променів лазера або біологічних елементів, що працюють разом з електронними елементами;

- створення надвеликих інтегральних схем, що містять до 10 млн. елементів на одному кристалі;

- оснащення комп'ютерів базами знань різного змісту залежно від їх призначення та сфери використання.

Всі ЕОМ за призначенням діляться на універсальні і спеціалізовані. Залежно від продуктивності універсальні ЕОМ діляться на два класи: високої продуктивності - суперЕОМ і середньої продуктивності – супермініЕОМ, мініЕОМ, супермікроЕОМ, мікроЕОМ. Особливе місце займають ПЕОМ, створені на базі мікроЕОМ. У 1990 р. парк персональних комп'ютерів (ПК) перевищив 100 млн. і продовжує зростати далі, у той час як парк супер- і мініЕОМ знаходиться на стабільному рівні: порядку 100 тис. суперЕОМ і 1 млн. мініЕОМ. Головними ознаками ПК є: простий спосіб керування, що не вимагає глибоких знань з обчислювальної техніки, спілкування людини та комп'ютера в діалоговому режимі, велика кількість програмних засобів для широкого кола областей використання ЕОМ.

Масове виробництво і впровадження в практику ПК почалося з 1977р. і пов'язано з ім'ям засновника і керівника фірми "Епл комп'ютер" (Аррl Сомрutеr) Стіва Джобса. В наш час одними з найпопулярніших комп'ютерів стали модель ІВМ РС і її модернізований варіант ІВМ РС ХТ. До складу базового комплекту IBM РС ХТ входять: системний блок, дисплей з чорно-білим або кольоровим зображенням, клавіатура, миша, друкувальний пристрій (принтер).

ЕОМ використовуються в якості обчислювальних систем для розв’язання теоретичних задач, задач керування, автоматизації і підготовки технологічних процесів. Мікропроцесори на базі мікроЕОМ із програмувальною логікою служать для автоматичного керування різноманітними об'єктами, включаючи технологічні машини, літаки, ракети і т.д. В системах автоматичного керування машинами і машинними комплексами в основному застосовуються цифрові системи, що оперують дискретними змінними, представленими в цифровій формі - електронні цифрові обчислювальні машини (ЕЦОМ).

Для керування технологічними машинами широко застосовуються мікропроцесори (МП) із програмувальною логікою. Одним з факторів, що обумовив розвиток устаткування з програмним керуванням, є необхідність автоматизації обробки виробів у середньо - і дрібносерійному виробництвах.

Програма - спосіб досягнення тієї чи іншої мети з однозначним описанням процедури його реалізації. Будь-яке керування автоматичним технологічним устаткуванням є програмним. Програма, згідно із якою повинен працювати МП, зберігається в його блоці пам'яті. Можливість побудови МП з'явилася в зв'язку із розробкою досконалої технології виготовлення інтегральних схем. На базі МП будуються мікроЕОМ і мікроконтролери. Мікроконтролер (або просто контролер) є пристроєм логічного керування, основні функції якого виконує МП.

Зі створенням мікропроцесорної техніки почалося масове застосування ЕОМ, зокрема, для автоматичного керування різними об'єктами, включаючи технологічні машини. Велике значення мають значно більш високі швидкодія та надійність, а також менша вартість МП і мікроЕОМ у порівнянні з ЕОМ перших трьох поколінь. Умови експлуатації МП суттєво відрізняються від умов експлуатації суперЕОМ. Використання останніх є рентабельним при постійному завантаженні. МікроЕОМ значно дешевша і тому її можна експлуатувати лише час від часу, при необхідності.

Удосконалювання комп'ютерів забезпечило можливість введення і заміни керуючої інформації на робочому місці і привело до створення систем числового програмного керування (ЧПК).

Перспективами розвитку обчислювальної техніки є: використання оптичних елементів у поєднанні з електронними, побудова ЕОМ за принципами функціонування живого мозку, подальша мікромініатюризація елементної бази при одночасному підвищенні швидкодії й об'ємів пам'яті, розробка евристичних програм, подальше спрощенні методів спілкування оператора й ЕОМ. Крім цього, очікується створення спеціалізованих машин призначених для розв'язання вузького кола конкретних галузевих задач.