ИСТОРИЯ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ ЭВМ Лекция 13: Эволюция компьютеров. Биографии основных теоретиков Computer science ВМиК МГУ им. М.В. Ломоносова, Кафедра АСВК Доцент Власов В.К., Ассистент Волканов Д.Ю.

2 План лекции Эволюция компьютеров Алан Тьюринг Конрад Цузе Джон Фон Нейман Эдсгер Вайб Дейкстра Дональд Эрвин Кнут ЯП и их создатели

3 Дорр Фелт - Арифмометры(1886)

4 Механические Дифференциальные Решатели Ванневар Буш разработал Дифференциальные Решатели е –Для решения дифференциальных уравнений dz = y dx –Позже появились электрические версии

5 Дифференциальный Решатель

6 Релейные компьютеры Z –Конрад Цузе –Механический калькулятор –Включал управляющую систему и память Атанасов – Берри Компьютер 1939 –Первый электрический цифровой компьютер –Использовали электронные лампы для сохранения информации –Первый компьютер с двоичной системой Компьютер Атанасова - Берри

7 ABC

8 The ENIAC

9 Электронные Лампы Компьютеры Первого Поколения использовали электронные лампы Электронные лампы не содержат воздуха

10 UNIVAC Первый полностью электронно- цифровой компьютер в США Создан в Университете Пенсильвания Весил 30 тонн Содержал 18,000 электронных ламп Стоил ~ $487,000

11 Первый Баг Переключатели реле – это часть компьютеров Грейс Хоппер нашёл мотылька в реле, которое сбоило Назвал это debugging компьютера

12 Первый Транзистор Используют кремний Разработаны в1948 Переключатель on-off Второе поколение компьютеров, использующее транзисторы, появилось в 1955

13 Второе Поколение – – Компьютеры начали использовать Транзисторы Электронные лампы были заменены

14 Интегральные Схемы Третье поколение использовало Интегральные Схемы (чипы). Интегральные Схемы – это транзисторы, резисторы и конденсаторы, объединённые вместе на одном чипе

15 Третье Поколение – Интегральные Схемы Операционные Системы Меньше и компактней

16 Развитие отечественной техники 1952 БЭСМ БЭСМ М БЭСМ АС-6

17 БЭСМ-6 Среднее быстродействие - до 1 млн. одноадресных команд/с Длина слова - 48 двоичных разрядов и два контрольных разряда Представление чисел - с плавающей запятой Рабочая частота - 10 МГц Занимаемая площадь кв. м

18 БЭСМ- 6

19 Первый Микропроцессор – ,250 транзисторов 4-битный 108Khz Микрочип

20 Микрочип Сверхбольшая Интегральная Схема (СБИС) –Транзисторы, резисторы, конденсаторы ,250 транзисторов Pentium IV – 42,000,000 транзисторов –Каждый транзистор 0.13 микрон

21 4 ое Поколение – … Микрочипы! Уменьшение в размерах продолжается

22 Рождение ПК byte память (не Kilobytes или Megabytes) 2 MHz Intel 8080 chips Ящик с мигающими огнями Цена $395 - $495.

23 Поколения компьютеров

24 IBM PC IBM-Intel-Microsoft совместная работа Первый широко-продаваемый ПК 8088 Микрочип - 29,000 транзисторов –4.77 Mhz процессор 256 K RAM (Random Access Memory) Один или два флоппи-дисков

25 Apple Macintosh 1984 Процессор Motorola Первый ПК с GUI и мышью

26 Прогресс Компьютеров

27 План лекции Алан Тьюринг Джон Фон Нейман Эдсгер Вайб Дейкстра Дональд Эрвин Кнут ЯП и их создатели

Алан Тьюринг (1912 – 1954)

29 Основные результаты Тезис Чёрча-Тьюринга Машина Тьюринга Криптография Тест Тьюринга Колоссус

30 Тезис Чёрча-Тьюринга Любая функция, которая может быть вычислена физическим устройством, может быть вычислена машиной Тьюринга

31 Машина Тьюринга (1)

32 Криптография Тьюринг помогал взломать код Энигмы Построен первый программируемый компьютер Колоссус Базировался: –на его концепции универсальной машины 1936 –потенциальной скорости и надёжности электронных технологий –неэффективность разностных машин для различных логических процессов Шифр-код был расшифрован в 1943 Все компьютеры были разрушены по приказу Черчилля

33 Под руководством выдающегося математика Алана Тьюринга была построена специализированная электронная вычислительная машина Colossus. Она насчитывала 2000 радиоламп и обрабатывала симв./с Collosus

34 В местечке Блечли-Парк (Bletchley Park) под Лондоном была организована сверхсекретная криптоаналитическая лаборатория для расшифровки немецких военных шифров, используемых в шифровальной машине Enigma. Enigma

35 Тест Тьюринга Опубликован в 1950 году Человек обменивается сообщениями на естественном языке с двумя собеседниками (человек и компьютер) Если человек не может определить кто есть кто, то считается что компьютер прошёл тест Переписка должна производиться через контролируемые промежутки времнени Тьюринг оценил что программы в 2000 году пройдут тест Пока не подошли даже близко

36 Другие важные результаты Проблема самоприменимости МТ Универсальная МТ Основатель направления ИИ

37 Первая работающая ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) была создана в 1945 г. в Пенсильванском университете. Длина 26 м, высота 6 м, масса 30 т ламп, 1500 реле, потребляемая мощность 150 квт. Первая ЭВМ ENIAC

38 ЭВМ ENIAC. Вид сзади Первая ЭВМ ENIAC

39 Понятие «архитектура ЭВМ» связано с именем выдающегося математика XX столетия Джона фон Неймана (Neumann, John von; ) Проект фон Неймана и его вклад в архитектуру ЭВМ

40 Проект фон Неймана и его вклад в архитектуру ЭВМ Фрагменты статьи фон Неймана с соавторами (русский перевод)

41 Проект фон Неймана и его вклад в архитектуру ЭВМ Основные черты классической фон-неймановской архитектуры ЭВМ 1.Машина должна состоять из следующих основных блоков: арифметического устройства, оперативной памяти, устройства управления, устройства ввода, устройства вывода, устройства внешней памяти; 2. Команды программы должны храниться в оперативной памяти, откуда они последовательно выбираются и исполняются арифметическим устройством, система команд должна иметь операции условной и безусловной передачи управления. Команды должны рассматриваться как обычные данные, т.е. программа должна иметь возможность модифицировать себя в процессе вычислений; 3. Команды и данные должны храниться и обрабатываться в двоичной системе счисления.

42 Морис Уилкс у машины EDSAC ламп, ОЗУ 512 слов Проект фон Неймана и его вклад в архитектуру ЭВМ Из-за разногласий в команде разработчиков реализация проекта фон Неймана в США затянулась. Первая ЭВМ с хранимой программой EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) была построена в Англии в 1949 г. под руководством Мориса Уилкса (Wilkes, Maurice; р. 1913). Английские ученые опирались на собственный опыт разработки электронных вычислительных устройств во время Второй мировой войны

43 Другие значимые достижения Квантовая физика Функциональный анализ Теория множеств Создатель теории игр Создатель теории клеточных автоматов

Конрад Цузе (1910 – 1995)

45 Основные результаты Первые компьютеры Z1, Z2, Z3, Z4 Планкалкюль Принципы построения компьютера Цифровая философия (Вычислительное пространство (1969(

46 Принципы Цузе Двоичная система счисления; Использование устройств, работающих по принципу да/нет (логические 1 и 0); Полностью автоматизированный процесс работы вычислителя; Программное управление процессом вычислений; Поддержка арифметики с плавающей запятой; Использование памяти большой емкости.

47 Z1

48 Цузе и Z3

49 Живопись Цузе

50 Эдсгер Вайб Дейкстра (1930 – 2002)

51 Основные результаты Математическая логика Algol-60 Концепция семафоров Алгоритм Дейкстра Борьба с оператором GOTO

52 Алгоритм Дейкстры (1)

53 Алгоритм Дейкстры (2)

54 Алгоритм Дейкстры (3)

55 Алгоритм Дейкстры (4)

56 Алгоритм Дейкстры (5)

57 Афоризмы (1) Студентов, ранее изучавших Бейсик, практически невозможно обучить хорошему программированию. Как потенциальные программисты они подверглись необратимой умственной деградации Вопрос «умеет ли компьютер думать» имеет не больше смысла, чем вопрос «умеет ли подводная лодка плавать» Проекты, предлагающие программирование на естественном языке, гибельны по своей сути

58 Афоризмы (2) Дейкстра назвал модель IBM/360 (прообраз советской ЕС ЭВМ) величайшей диверсией Запада против СССР На пустом диске можно искать вечно Если отладка процесс удаления ошибок, то программирование должно быть процессом их внесения

59 Классификация и эволюция программного обеспечения Эволюция программного обеспечения. Подобно тому, как в океане из плавающей мути откладываются геологические пласты, из специального программного обеспечения с течением времени образуются слои общего ПО

60 Языки и системы программирования Предыстория Первая попытка создать высоко- уровневый язык программирования принадлежит гениальному Конраду Цузе (конец 1940-х годов), разработавшему Plancalcul (планировщик вычислений). «Plancalcul родился исключительно как результат теоретической работы, без всякой связи с тем, появится или нет в обозримом будущем машины, подходящие к программам на Plancalcul». Фрагмент рукописи Цузе с шахматной программой на языке Plancalcul

61 Михаил Романович Шура-Бура и А.П. Ершов – создатели первых отечественных систем автоматизации программирования для ЭВМ «БЭСМ» и «Стрела» ( годы) Языки и системы программирования Предыстория

62 Языки и системы программирования Наиболее активный период разработки языков и систем программирования приходится на 1960-е годы. За это десятилетие в мире родилось более тысячи разнообразных языков, как универсальных, так и специализированных, но выжили и доросли до XXI века дожили немногие, в том числе бессмертные Fotran, Basic, Algol, Cobol, Simula, Lisp и их потомки. На рисунке: «вавилонская башня» языков программи- рования, созданных в 1960-е годы

63 Языки и системы программирования Родословная основных высокоуровневых языков программирования

64 Языки и системы программирования Бессмертный Fortran Fortran = FORmula TRANslator Первый высокоуровневый язык программирования Fortran был разработан в фирме IBM под руководством Джона Бэкуса (Backus, John; р. 1924). Работа над языком началась в 1954 г., первая реализация для IBM 704 в выполнена в 1957 г.

65 Фрагмент программы на языке Fortran CMAIN PROGRAM 101FORMAT(208) 102FORMAT(//N=,15, 5X, R=, 15 1//6X, M, 5X, PROB) 103 FORMAT(18, F14.10) 201READ(1,101) N, IR WRITE(3,102) N, IR IF(N) 202, 202, STOP 203IF(IR) 202, 202, M=O P=COMBF(N,M)*COMBF(IR-1,N-M-1) 1/COMBF(N+IR-1,IR)... Языки и системы программирования Бессмертный Fortran

66 Языки и системы программирования Basic – язык для начинающих BASIC = Beginners All-purpuse Symbolic Instruction Code Язык Basic был разработан в 1964 г. в Дармутском колледже в г. Хановере (Darmouth College, Hanover), штат Нью-Хемпшир

67 Языки и системы программирования Basic – язык для начинающих Авторы языка Basic. Стоит Джон Кемени (Kemeny, John G.; ), сидит Томас Курц (Kurtz, Thomas E.; р. 1928) 10 dim A(5) 20 for i=1 to 5 30 input A(i) 40 next i 50 if i=5 then goto if A(i)

68 Будущие создатели Microsoft Пол Аллен (Allen, Paul; р. 1954) и Билл Гейтс (Gates, William; р. 1955) познакомились с Бэйсиком, работая в компьютерном классе школы в Сиэтле (снимок 1968 г.) Языки и системы программирования Basic – язык для начинающих

69 Начав с Бэйсика, компания Microsoft превратилась в крупнейшую софтверную империю, а Билл Гейтс – стал самым богатым человеком на планете Языки и системы программирования Basic – язык для начинающих Штаб - квартира корпорации Microsoft в Редмонде (пригород Сиэтла)

70 Языки и системы программирования Cobol – язык для бухгалтеров COBOL = COmmon Business-Oriented Language На фото: разработчики языка Cobol у шуточного обелиска, присланного в их адрес в качестве намека на безнадежно медленную работу, способную похоронить саму идею. Справа внизу – Грейс Хоппер

71 Основные свойства языка Cobol: независимость программ от оборудования; независимость программ от данных; сложные структуры данных; синтаксис, приближенный к естественному английскому языку. Языки и системы программирования Cobol – язык для бухгалтеров

72 Программа на Коболе (начало) 1010 IDENTIFICATION DIVISION PROGRAM-ID EXAMPLE ENVIROMENT DIVISION INPUT-OUTPUT SECTION FILE-CONTROL SELECT CD ASSIGN TO SYS010 UNIT-RECORD 2540R SELECT TT ASSIGN TO SYS009 UTILITY DATA DIVISION FILE SECTION FDCDDATA RECORD IS C 1110LABEL RECORDS ARE OMITTED C C1 PICTURE 9(4) C2 PICTURE C3 PICTURE X(70) Языки и системы программирования Cobol – язык для бухгалтеров

73 Программа на Коболе (окончание) 1290 PROCEDURE DIVISION P1.OPEN INPUT CD, OUTPUT TT P2.READ CD, AT END GO TO P MOVE C1 TO D MONE C2 TO D MOVE C3 TO D ADD C1, C2, GIVING D WRITE T FROM D. 1370GO TO P P3.CLOSE SD, TT. 1390STOP RUN Языки и системы программирования Cobol – язык для бухгалтеров

74 Языки и системы программирования Algol и его влияние на языки программирования ALGOL = ALGOritmic Language В 1958 году в Цюрихе (Швейцария) состоялась международная конференция, предложившая проект нового универсального международного языка программирования Algol-58. В 1960 году на парижской конференции была принята окончательная версия под названием Algol-60. На снимке: участники парижской конференции голосуют за Алгол-60.

75 Основные свойства языка Algol-60: машинная независимость; формальный синтаксис; описание переменных и блочная структура; рекурсия Нормальная форма Бэкуса-Наура (БНФ) ::= 1|2|3|4|5|6|7|8|9|0 ::= | Языки и системы программирования Algol и его влияние на языки программирования

76 begin integer i, n; real s; real array x[1:n]; s:=0; for i:=1 step 1 to n do s:=s+x[i]; s:=s/n end Простейшая программа на Алголе-60, вычисляющая среднее арифметическое n чисел. Синтаксис Алгола-60 сформировал стандарт для всех последующих языков программирования Языки и системы программирования Algol и его влияние на языки программирования

77 В результате многолетней переработки Алгола-60 комитетом IFIP появился язык Алгол-68 (пересмотренное сообщение под ред. А. ван Вейнгаардена (A. van Wijngaarden) и др. опубликовано в 1975 г.) Языки и системы программирования Algol и его влияние на языки программирования

78 Языки и системы программирования Pascal и его потомки Член комитета по Алголу-68 Никлаус Вирт (Wirth, Niklaus; р. 1934) был против принятия переусложненного стандарта. В знак доказательства своей правоты он разработал в 1971 г. простой и ясный алголоподобный язык, предназначенный прежде всего для обучения студентов в Федеральном техническом университете в Швейцарии. В честь изобретателя первой вычислительной машины Вирт назвал язык Паскалем.

79 Программа на Паскале, вычисляющая среднее арифметическое n чисел var i, n: integer; s: float; x: array[1..n] of real; begin s:=0; for i:=1 to n do s:=s+x[i]; s:=s/n end. Языки и системы программирования Pascal и его потомки

80 Новую жизнь языку Pascal дал Филипп Кан (Kahn, Philippe; р. 1938) – создатель компилятора Turbo Pascal для IBM PC и основатель компании Borland (1984 г.) Языки и системы программирования Pascal и его потомки

81 Среда разработки Delphi фирмы Borland объединила передовые достижения технологии программирования: объектное расширение языка Pascal, визуально- событийное проектирование, модульное структурирование и раздельная компиляция. Языки и системы программирования Pascal и его потомки В отличие от учебного Паскаля, язык программирования Modula-2, предложенные Никлаусом Виртом, изначально предназначался для профессионального применения

82 Языки и системы программирования Суперязык PL/1 EXAMPLE: PROCEDURE OPTIONS (MAIN); ON ENDFILE (SYSIN) GO TO ENDING; P1:GET LIST (A, B, C); D = B*B 4*A*C; E = B/(A+A); IF D

83 Языки и системы программирования Simula и Smalltalk – революция в программировании Simula = SIMULAlation За разрабртку языка Simula Кристен Нигорд (Nygaard, Kristen; ), на снимке слева, и Оле-Йохан Дал (Dahl, Ole-Johan; ) были удостоены высшей награды компьютерного сообщества – медали Тьюринга

84 |a| a := Array new: 5. 1 to: 5 do: [:i | a at: i put: (Prompter prompt: Введите элемент массива) asNumber]. a := a asSortedCollection. a do: [:i | Transcript putAll: i printString]. Простейшая программа на Smalltalk, вычисляющая среднее арифметическое пяти чисел Алан Кей Языки и системы программирования Simula и Smalltalk – революция в программировании

85 Языки и системы программирования С – язык для профессионалов Язык Си (С) был создан Деннисом Ричи (Ritchie, Dennis M.; р. 1941) в 1973 году в Bell Labs в ходе разработки операционной системы UNIX. Он развивал язык Би (B), который основывался на созданном в Кембриджском университете языке BCPL (от Basic Combined Programming Language), который в свою очередь был потомком Алгола-60

86 Текст на языке С отличается лаконичностью float A[5]; for(int i=0;i

87 Бьярн Страуструп (Stroustrup, Bjarne; р. 1950) ввел в язык С объекты и превратил его в С++ Языки и системы программирования С – язык для профессионалов

88 Языки и системы программирования Java – дитя интернета В 1995 г. фирма Sun Microsystems представила язык Java для программирования в интернете. Он возник в ходе реализации проекта Oak («Дуб»), целью которого было создание системы программирования бытовых микропроцессорных устройств. Джеймс Гослинг (Gosling, James) – автор Java.

89 Java - технология Языки и системы программирования Java – дитя интернета

90 class test { int i, n; float s; float x[n]; public static void main( String args[] ) { n = 10; s = 0; for( i=1; i

91 Lisp = LISt Processing Язык Lisp создан в 1960 году Джоном Маккарти (McCarthy, John; р ) в Массачусетском технологи- ческом институте на теоретическом фундаменте лямбда-исчисления, пред- ложенного еще в 1930 году известным американским логиком Алонзо Черчем. Языки и системы программирования Долгожитель Lisp – инструмент функционального программирования Дж. Маккарти и А.П. Ершов Снимок 1975 г.

92 Программа на Lisp имеет специфический вид из-за обилия скобок. За это студенты прозвали его «Lots of Infuriating & Silly Parenthesis» - «Множество раздражающих и глупых скобок» (setq L `( )) (defun sum (L) (cond ((null L) '0) (t (add (car L) (sum (cdr L)))) ) (div (sum L) '5) Примитивы : cond условная функция, проверяющая с помощью функции null пустоту списка; add суммирование аргументов; car извлечение первого элемента из списка; cdr извлечение остатка списка (без первого элемента). Языки и системы программирования Долгожитель Lisp – инструмент функционального программирования

93 Языки и системы программирования Prolog – несостоявшаяся мечта ЭВМ V поколения Prolog = PROgramming for LOGic Теоретические основы языка были разработаны Робертом Ковальским (Kowalski, Robert) в Эдинбургском университете (Шотландия) в конце 1960-х годов Первая практическая реализация языка осуществлена Аленом Кольмари (Colmerauer, Alain ) в Марсельском университете (Франция) в 1972 г.

94 Факты: муж (петя), муж (ваня), муж (коля), жен (таня), жен (маша), мать (ваня, таня), отец (ваня, петя), отец (маша, ваня), отец (коля, ваня). Правила вывода: родитель (X, Y) : отец (X, Y) родитель (X, Y) : мать (X, Y) дед (X, Y) : родитель (X, Z), отец (Z, Y) брат (X, Y) : муж (Y), родитель (X, Z), родитель (Y, Z), XY Примеры диалога: GOAL> дед (коля, X) Кто дед Коли? X = Петя GOAL> брат (маша, X) Кто брат Маши? X = Коля Описание предметной области семейных отношений на языке Prolog Языки и системы программирования Prolog – несостоявшаяся мечта ЭВМ V поколения

95 Проект ЭВМ V поколения – японский вызов мировой компьютерной индустрии, брошенный в начале 1980-х годов Языки и системы программирования Prolog – несостоявшаяся мечта ЭВМ V поколения

96 В качестве основного языка ЭВМ V поколения предполагалось использовать Prolog 3.2. Языки и системы программирования Prolog – несостоявшаяся мечта ЭВМ V поколения

97 Языки и системы программирования Рефал – русский Пролог Рефал = PЕкурсивных Функций АЛгоритмический Теоретические основы языка были разработаны Валентином Турчиным в МФТИ в конце 1966 году Palindrom { s.1 e.2 s.1 = ; s.1 = True ; = True; e.1 = False ; } // Проверка палиндромности числа

98 РЕФАЛ $ENTRY Go { = >>>; } FN { 0 (s.1 s.2) = s.1; s.1 (s.2 s.3) = (s.3 )>; s.1 = ; } // Ввод N и вычисление числа Фибоначчи с номером N

99 Языки и системы программирования Logo – язык для самых маленьких Язык Logo, изобретен в 1967 г. в MIT выдающимся математиком и педагогом Сеймуром Пейпертом (Papert, Seymour; р. 1928). Пейперт в годах работал в Женеве у знаменитого психолога Жана Пиаже (Piaget, Jean), где занимался детьми и природой их мышления. Идейной основой Logo является язык Lisp На фото: Сеймур Пейперт получает степень почетного доктора Софийского университета (1999 г.)

100 Программа на Logo управляет черепашкой, оставляющей видимый след. С помощью зрительных образов интерпретируются все базовые структуры программирования Процедура с параметром это дуга :шаг :число_шагов повтори :число_шагов [вперед :шаг направо 10] Конец это спираль :шаг если :шаг < 1 [стоп] дуга :шаг 18 спираль :шаг / 2 конец Цикл Рекурсия Языки и системы программирования Logo – язык для самых маленьких

101 Языки и системы программирования Уроки истории Основные парадигмы программирования: процедурное программирование (Fortran, Basic, Cobol, Algol, Pascal, Ada, С, Logo, FoxPro); объектно-ориентированное программирование (Simula, Smalltalk, Object Pascal, C++, Java, C#); визуально-событийное программирование (Visual Basic, Delphi, Visual C++, Visual Java, Visual FoxPro); функциональное программирование (Lisp, Рефал); логическое программирование (Prolog).

102 Спасибо за внимание!