История возникновения и развития вычислительной техники

1.История возникновения  и развития вычислительной техники

1. Ручной этап

Ручной период автоматизации  вычислений начался на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании различных частей тела, в первую очередь, пальцев рук  и ног.    Первым инструментом для счета человеку служили собственные пальцы. С ними связано появление позиционного кодирования чисел с основанием 10. Счете помощью группировки и перекладывания предметов привел к изобретению арабами абака, прибора, известного в настоящее время как конторские счеты. В древнем абаке каждый стержень был разделен на две части по пять и две косточки (две руки и пять пальцев).   Хорошо приспособленный для сложения и вычитания, абак оказался недостаточно эффективным для операций умножения и деления. В 1614 г. шотландский теолог и математик Джон Непер ввел понятие логарифма. Поскольку логарифм перемножения двух чисел равен сумме логарифмов, это позволило реализовать действие умножения на основе перемещения реек (прообраз логарифмической линейки, она изобретена в 1620 году). Непер же придумал в 1617 г. другой прибор для перемножения чисел - костяшки Непера. Это набор сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получался результат умножения.

1.2 Механический этап

Первый механический вычислитель был описан в 1623 г. В. Шикардом. Он предназначался для выполнения четырех арифметических действий над шестиразрядными числами. Числа вводились посредством наборных дисков, результаты отображались в окошках. Для умножения использовался принцип костяшек Непера. Принципиальная схема машины Шикарда была классической, она использовалась потом в большинстве механических вычислительных устройств.

 Француз  Блез Паскаль в 1642г. (в 19 лет) создал более совершенный вычислительный прибор. Его суммирующая машина «Паскалина» представляла ящик с механическими шестеренками. Числа вводились путем поворота наборных колес. Каждое колесо соответствовало одному разряду. Был организован перенос единицы в старший разряд, когда колесо делало более чем один оборот. Была сделана серия из 50 машин, что способствовало формированию мнения о механизации умственного труда. Основной недостаток «Паскалины» - сложность выполнения других операций через операцию сложения.             Первая машина, позволяющая легко производить умножение и деление, была изобретена в XVII веке в Германии математиком Г.В. Лейбницом (родился в 1646 г.). Лейбниц прославился больше созданием дифференциального и интегрального исчисления, он заложил также основы двоичной системы счисления. Он познакомился с голландским математиком и астрономом X. Гюйгенсом и задумал создать вычислительную машину для облегчения расчетов, «поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было доверить кому угодно при использовании машины».     В 1672 г. он изготовил механический калькулятор. Принцип действия был одинаков с «Паскалиной», но в нем имелась движущая часть (прообраз каретки настольных калькуляторов). Это ускоряло операцию умножения как последовательность сложений со сдвигом.        Вычислитель Лейбница в дальнейшем постоянно совершенствовался. Русский инженер В.Т. Однер в 1874 г. предложил использовать в вычислителях колеса с переменным числом зубьев. Путем передвижения рычажков установки цифры в колесе выдвигалось столько зубьев, сколько цифр установлено в разряде. При полном обороте колеса, связанная с ним шестерня поворачивалась на угол, заданный числом зубьев. Это вычисли-

 тельное  устройство, названное арифмометром, положило начало математическому  машиностроению. Относительно простые  технологичные настольные арифмометры  выпускались в массовом количестве  во многих странах вплоть до 60-х годов 20-го века, когда они были вытеснены настольными и карманными электронными калькуляторами. В СССР долгое время выпускался арифмометр Феликс, который и сейчас можно отыскать в бухгалтериях старых учреждений.           В 1804 г. инженер Жозеф Мари Жаккард построил полностью автоматизированный ткацкий станок, способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка управлялась перфокартами. Одна карта управляла одним проходом челнока (опускались и поднимались нити основы). Для перехода к новому рисунку достаточно было сменить набор перфокарт.              Ближе всего к созданию компьютера в его современном понимании подошел англичанин Чарльз Бэббидж (род. 1791 г.). Он заведовал кафедрой математики Кембриджского университета. В 1822 г. Бэббидж опубликовал научную статью с описанием машины для расчета и печати математических таблиц (разностной машины) и построил ее модель. Он долго трудился над созданием настоящей разностной машины, но так до конца ее не довел, но пришел к идее более мощной, аналитической машины. Она должна была выполнять действия, управляемые программой (первый программируемый компьютер). Программа представлялась на перфокартах. Машина имела АУ -«мельница», ОЗУ — «склад», УУ на двух жаккардовых механизмах и блок вывода данных (УВВ). Память вмещала до 1000 50-разрядных десятичных чисел.               Огаста Ада Лавлейс (дочь лорда Байрона) отдала все способности осуществлению проекта Бэббиджа. В 1843 г. она составила первую в мире достаточно сложную программу вычисления чисел Бернулли и по праву считается первым программистом. Аналитическая машина так и не была построена. В окончательном виде она должна быть не меньше железнодорожного локомотива и приводиться в действие паровым двигателем.              Однако швед Пер Георг Шойц, прочитав труды Бэббиджа, построил слегка видоизмененный вариант разностной машины в  1854 г. Лишь через 19 лет после смерти Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе аналитической машины (использование перфокарт), нашел воплощение в действующем устройстве.

3. Электромеханический этап

Этот этап развития вычислительной техники был наименее продолжительным и охватывал всего 60 лет — от первого табулятора до первой ЭВМ.

     Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Германом Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Используя идеи Жаккарда и Бэббиджа, Холлерит использовал перфокарты в качестве информационного носителя. Комплекс применялся для обработки результатов переписи населения США в 1890 г.

 Карта Холлерита  была размером с долларовую купюру. На карте имелось 12 рядов, в каждом ряду можно было пробить по 20 отверстий (потом - 80). В каждой колонке кодировалась информация о человеке (возраст, пол, кол-во детей и т.д.). Табулятор механически отыскивал нужные отверстия, и замыкание контактов поворачивало колеса одного из счетчиков табулятора.         С помощью табулятора удалось за шесть недель сделать предварительную обработку результатов переписи 1890 г. Счетно-аналитический комплекс Холлерита был закуплен Россией, Канадой, Австро-Венгрией и использован ими в кампаниях переписи населения.

 Окрыленный успехом,  Холлерит основал фирму по  выпуску табуляторов. В 1924 г.  она объединилась с другими  фирмами и получила название International Business Machines Corporation - IBM.

        Счетно-аналитические комплексы выпускались в нескольких странах. На их основе создавались машинно-счетные станции (прообразы вычислительных центров). Перфокарты как носители данных прожили долгую жизнь и оставались основным носителем данных (ввод/вывод) в ЭВМ до появления дисплеев.

     Дальнейшие работы по созданию вычислительной техники связаны с двоичной системой счисления. Идея использования

 лишь двух символов для  кодировки информации стара. Барабаны  африканских бушменов давали  звонкий и глухой звуки; азбука Морзе использовала точку и тире.

    Первым заинтересовался двоичной системой Г.В. Лейбниц. В 1666 г., оканчивая университет, он набросал работу «Искусство составления комбинаций». В ней заложены основы общего метода, который позволяет свести мысль человека к совершенно точным формальным высказываниям. Логика переводилась из словесного царства в царство математики, где отношения между объектами или высказываниями определяются совершенно точно.

       Однако Лейбниц так и не нашел полезного применения полученным результатам, а изобретенный им калькулятор был десятичным. Но значение его работ трудно переоценить. «Если бы мне пришлось выбирать в анналах истории наук святого покровителя кибернетики, то я бы выбрал Лейбница», писал Нор-берт Винер.

       Спустя более ста лет после смерти Лейбница английский математик-самоучка Джорж Буль в 1842 г. написал работу «Математический анализ логики», а в 1854 г. развил свои идеи в работе «Исследования законов мышления». В этих работах Д. Буль создал булеву алгебру (см. 3.3). С ее помощью можно закодировать высказывания, истинность или ложность которых требовалось доказать. Американский логик Чарльз Сандерс Пирс модифицировал и расширил булеву алгебру.

     В 1936 г. выпускник Мичиганского университета, где он получил два диплома бакалавра по электротехнике и математике, Клод Шеннон перешел в Массачусетский технологический институт (МТИ).        Руководителем его был профессор В. Буш, который построил механическое устройство - дифференциальный анализатор (1930 г.). Анализатор занимал целую комнату и решал дифференциальные уравнения. Для изменения коэффициентов уравнения надо было менять шестеренки. Буш предложил К. Шеннону изучить логическую организацию дифференциального анализатора. Вспомнив булеву алгебру, Шеннон поразился ее сходством с принципом работы электрический цепей. В 1938 г. К. Шеннон опубликовал докторскую диссертацию на эту тему.

    Она считается поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники. После войны (1948 г.) Шеннон опубликовал работу «Математическая теория связи», где заложил основы новой науки — теории информации (см. гл. 1).

    Одновременно с Шенноном размышлял о тех же проблемах профессор физики Джон Атанасофф. В 1938 г. он решил создать машину на основе двоичной системы счисления. В то же время сотрудники фирмы «Белл Телефон Лабораторикс» — математик Джордж Стибиц и электрик Сэмюель Уильяме создали электромеханические устройства для реализации арифметических действий на основе булевой алгебры. В 1940 г. они построили на этой основе калькулятор комплексных чисел. Устройством ввода и вывода служил телетайп.

       Много для развития вычислительной техники сделал немецкий специалист, инженер Конрад Цузе. Он явился пионером создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением данных в запоминающем устройстве и в 1936 г. построил механический вычислитель Z1 (/use). В 1938- 1946 гг. были созданы еще три модели (Z2-Z4). Модель Z3 была реализована на 2600 электромагнитных реле, работала в двоичной системе счисления и имела устройство ввода на перфоленте на основе 35-миллиметровой кинопленки. Модель Z4 успешно эксплуатировалась до 1955 года. Z3 и Z4 использовались для расчетов конструкций самолетов и ракет. В США работы Цузе стали известны только в 1947 г. и оказали влияние на последующий ход развития вычислительной техники.

 Вторая мировая  война дала мощный импульс  развитию вычислительной техники.  Гарвардский математик Говард  Эйкен познакомился с описанием аналитической машины Бэббиджа и убедил руководство IBM начать ее постройку для проведения баллистических расчетов. «Если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, я остался бы без работы», - говорил Г. Эйкен. В 1943 г. была изготовлена машина «Марк-1». Переключателями служили электромеханические реле, программа была записана на перфоленте. Но Эйкен не дошел до преимущества двоичной системы

 счисления, и «Марк-1»  работал с десятичными числами.  Данные вводились в машину  на наборном поле с помощью переключателей. «Марк-1» работал с 23-разрядными числами с параметрами: сложение - 0.3 с, умножение - 3 с. Конструкция имела длину 17 метров и высоту 2,5 м, содержала 3304 реле. За день объем работы, выполненный «Марком» превышал ручную полугодовую работу. Большое значение имело то, что в качестве устройств ввода-вывода использовались серийные устройства фирмы IBM, обладающие высокой надежностью. «Марк-1» работал в ВМФ для баллистических расчетов, а затем трудился в Гарвардском университете до 1959 г.

      В 1942 г. Цузе и австрийский инженер Хельмут Шрайнер предложили перевести компьютер с электромеханических реле на электронные лампы. Предлагалось использовать компьютер для расшифровки секретных кодов военных сообщений. В условиях войны этот проект не был реализован в Германии.

     Этой работой занялись в Англии. К ней были привлечены лучшие силы, в том числе кембриджский математик Алан Тьюринг, который в 1936 г. строго описал устройство, которое может производить любые неформально поставленные задачи через операции математической логики - машину Тьюринга

    Английский «Колосс» был создан в 1943 г. и содержал 2000 электронных ламп. Устройство ввода на перфоленте сканировало 5000 символов в секунду, после чего в поисках соответствия машина сопоставляла зашифрованное сообщение с известными кодами немецкой шифровки. «Колосс» был первой действующей ЭВМ, но специализированной. «Колосс» помог Англии в войне, но не оказал влияние на создание других ЭВМ, об этой работе стало известно лишь спустя 30 лет, когда истек срок сохранения государственной тайны в Англии.

       В Советском Союзе в 1957 г. под руководством Н.И. Бессонова была создана релейная вычислительная машина — РВМ-1, она проработала до 1965 г. Это был последний крупный проект в области программно-управляемых электромеханических вычислителей. Машина была хорошо приспособлена для

 обработки данных, на ней был выполнен пересчет  цен на товары для денежной  реформы 1960 г. 

 РВМ-1 содержала 5500 реле. Операция умножения двух  чисел, представленных в форме с плавающей точкой (33 двоичных разряда, 27 — мантисса, 6 — порядок), выполнялась за 50 мс, что было сравнимо с быстродействием ЭВМ того времени. Машина имела постоянную память, где располагались табличные функции и константы, что ускоряло процесс решения задач.

1.4 Электронные вычислительные машины

Первая универсальная  ЭВМ была изготовлена в США  Джоном У. Мочли и Дж. Преспером  Экертом. В 1941 г. Мочли познакомился с Аганасоффом и его принципами электронного компьютера и в 1942 г. внес предложение о создании быстродействующего компьютера на лампах для баллистических расчетов.

 В 1945 г. они создали  ЭНИАК - первую универсальную  ЭВМ. EN1AC - Electronic Numerical Integrator and Computer. Она имела 18000 ламп, весила 30 т, потребляла мощность 150 кВт. Тактовая частота составляла 100 кГц, операция сложения выполнялась за 0.2 мс, умножения - 2.8 мс (это в 1000 раз быстрее «Марка»). ЭНИАК работал в десятичной системе счисления. Программа задавалась схемой коммутации на 40 наборных полях. На перестройку программы уходили недели.

  Следующая модель Мочли и Эккерта - ЭДВАК (EDVAC -Electronic Discrete Automatic Variable Computer) была запущена в 1950 г. и полностью завершена в 1952 г. ЭВМ имела память, реализованную на ртутных линиях задержки, в которой размещались одновременно данные и программы. ЭДВАК работал в двоичной системе счисления, операции сложения и умножения выполнялись за 1 и 2 мс. ЭВМ содержала более 3500 электронных ламп. Это была первая универсальная ЭВМ с хранимой в памяти программой, т.е. построенная по архитектуре Дж. фон Неймана, который непосредственно участвовал в ее разработке.