Добавлен: 25.06.2023
Просмотров: 92
Скачиваний: 2
Введение
Вычислительные приборы, как таковые, начинают свое развитие задолго до возникновения современной дисциплины информатики, появившейся в XX веке. Информационные технологии связаны с изучением методов и средств сбора, обработки и передачи данных с целью получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.
Ввиду возрастания потребностей человечества в обработке все большего объема данных, средства получения информации совершенствовались от самых ранних механических изобретений до современных компьютеров. Также в рамках информационных технологий идет развитие сопутствующих математических теорий, которые сейчас формируют современные концепции.
Основным техническим средством технологии переработки информации является персональный компьютер, существенно повлиявший как на концепцию построения и использования технологических процессов, так и на качество получаемой после обработки информации.
В короткой истории компьютерной техники выделяют несколько периодов на основе того, какие основные элементы использовались для изготовления компьютера. Временное деление на периоды в определенной степени условно, так как когда еще выпускались компьютеры одного поколения, последующее поколение уже начинало набирать обороты.
Можно выделить такие общие тенденции развития компьютеров, как:
- Увеличение скорости работы.
- Уменьшение размеров.
- Снижение стоимости.
- Увеличение количества элементов на единицу площади.
- Развитие программных средств и стандартизация, упрощение аппаратных.
1. Возникновение вычислительной техники и ее развитие до компьютеров
Ранние упоминания
Абак
Самое раннее упоминание об использовании вычислительных устройств приходится на период 2700—2300 годов до нашей эры. В то время в древнем Шумере был распространен абак, состоявший из доски с начерченными линиями, разграничивающими последовательность порядков системы счисления. Изначальный способ использования шумерского абака заключался в начертании линий на песке и гальке. Модифицированные абаки использовались так же, как современные калькуляторы [1].
Внешний вид абака представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Внешний вид абака
Антикитерский механизм
Антикитерский механизм считается самым ранним из известных механических аналогов компьютера. Данный механизм был предназначен для расчета астрономических позиций. Первый экземпляр был обнаружен в 1901 году на развалинах греческого острова Андикитира между Китирой и Критом и датирован 100 годом до нашей эры. Технологические артефакты подобной сложности больше не появлялись до XIV века, когда в Европе были изобретены механические астрономические часы [1].
Механические аналоговые вычислительные устройства
Механические аналоговые вычислительные устройства появились сотни лет спустя после антикитерского механизма в средневековом исламском мире. Примерами устройств этого периода являются торкветум изобретателя Джабир ибн Афлаха, механический мотор астролябии Абу Райхан аль-Бируни и экваториум Аз-Заркали. Мусульманские инженеры построили ряд автоматов, в том числе музыкальных, которые могут быть «запрограммированы» на проигрывание различных музыкальных мелодий. Эти устройства были разработаны братьями Бану Муса и Аль-Джазари. Мусульманскими математиками также сделаны важные достижения в области криптографии, криптоанализа и частотного анализа Аль-Кинди [2].
Аналитические устройства
Первые проекты вычислительных машин
После того, как в начале XVII века Джон Непер открыл логарифмы для вычислительных целей, последовал период значительного прогресса среди изобретателей и ученых в создании инструментов расчета. В 1623 году Вильгельм Шиккард разработал вычислительную машину, но отказался от проекта, когда построенный им прототип был уничтожен в 1624 году пожаром. Около 1640 года ведущий французский математик Блез Паскаль построил первое механическое устройство сложения. Структура описания этого устройства основана на идеях греческого математика Герона. Затем, в 1672 году, Готфрид Вильгельм Лейбниц изобрел ступенчатый калькулятор, который он собрал в 1694 году [2].
Описание аналитической машины Бэббиджа
В 1837 году Чарльз Бэббидж описал свою первую аналитическую машину, считающуюся наиболее ранней конструкцией современного компьютера. Аналитическая машина имела арифметическое устройство, расширяемую память и логические схемы с возможностью интерпретировать язык программирования с условными ветвлениями и циклами. Хотя она не была построена, проект был хорошо изучен и отражал идею полноты по Тьюрингу. Аналитическая машина имела бы тактовую частоту меньше 10 Гц и объем памяти меньше 1 килобайта [2].
Алгебра высказываний Буля
В 1703 году Готфрид Вильгельм Лейбниц разработал формальную логику, математический смысл которой описан в его трудах и заключается в сведении логики к бинарной системе счисления. В ней нули и единицы формально представляют ложное и истинное значения или выключенное и включенное состояние некоторого элемента, который может быть в двух состояниях. Эти работы намного опередили работы Джоржа Буля, который опубликовал свои результаты в 1854 году. В наши дни алгебра высказываний Буля называется булевой — математически полная алгебраическая система. Новый импульс развитию булевой алгебры дал Клод Шеннон в работах 1933 года, где он показал, что состояния и переходы между состояниями релейных переключающих схем могут быть формально описаны в терминах булевой алгебры и для их анализа и синтеза пригоден математический аппарат булевой алгебры, к тому времени хорошо развитый. И сейчас булева алгебра — основа для логического проектирования процессоров, видеокарт и многих других систем и устройств бинарной логики [3].
Ткацкий станок Жаккара
К этому времени было изобретено первое механическое устройство, управляемое бинарной схемой. Промышленная революция дала толчок механизации многих задач, включая ткачество. Перфокарты контролировали работу ткацких станков Жозефа Мари Жаккара. В них перфорированное отверстие на карте означало бинарную единицу, а неперфорированное место означало бинарный ноль. Благодаря перфокартам станки имели возможность воспроизводить сложнейшие узоры. Ткацкий станок Жаккара был далек от того, чтобы называться компьютером, но он показывает, что бинарная система могла быть использована для управления механизмами [3].
Аналитическая машина Бэббиджа
Чарльз Бэббидж считается пионером вычислительной техники. Бэббидж имел четкое представление о механических вычислениях таблиц и чисел. С 1810-х годов он начал воплощать свои идеи в реальность, разработав калькулятор для вычисления чисел до 8 знаков после запятой. Продолжая успех этой идеи, Бэббидж работал над созданием машины, имеющей возможность вычислять числа до 20 знаков после запятой. К 1830 году Бэббидж придумал план разработки машины, использующей перфокарты для выполнения арифметических операций. Предполагалось, что машина должна хранить числа в блоках памяти и содержать форму последовательного управления. Это означает, что операции должны проводиться последовательно таким образом, чтобы машина возвращала ответ в виде удачи или неудачи. Эта машина стала известной как «аналитическая машина», ставшая первым прототипом современного компьютера. Гораздо позже, 21 января 1888, прошло частичное испытание «Аналитической машины Бэббиджа», построенной его сыном. На этом устройстве было успешно вычислено число Пи с точностью до 29 знаков [4].
Внешний вид аналитической машины Бэббиджа представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Внешний вид аналитической машины Бэббиджа
2. Математические основы
Ада Лавлейс
Ада Лавлейс является первопроходцем компьютерного программирования. Лавлейс начала работать у Чарльза Бэббиджа в качестве помощницы, в то время как Бэббидж работал над «Аналитической машиной». За время работы с Бэббиджем, Ада Лавлейс стала разработчиком первого компьютерного алгоритма, умеющего вычислять числа Бернулли. Также результатом ее работы с Бэббиджем было предсказание того, что компьютеры будут не только выполнять математические расчеты, но и манипулировать различными символами, не только математическими. Она не могла видеть результаты своей работы, так как «аналитическая машина» не была создана при ее жизни, но начиная с 1940-х годов, ее усилия не остались незамеченными.
До 1920-х годов вычисляющими элементами были выполнявшие вычисления клерки. Много тысяч таких клерков было занято в научно-исследовательских учреждениях, правительстве и коммерции. Вычисляющими элементами, в большинстве своем, являлись имеющие специальное образование женщины. Некоторые из них выполняли астрономические вычисления для календарей [4].
Математические основы современной информатики
Математические основы современной информатики были заложены Куртом Геделем в его теореме о неполноте, датированной 1931 годом. В этой теореме он показал существование пределов того, что может быть доказано и опровергнуто с помощью формальной системы. Это привело к определению и описанию Геделем и другими формальных систем, в том числе были определены такие понятия, как μ-рекурсивная функция и λ-определимые функции.
Ключевым для информатики был 1936 год, когда Алан Тьюринг и Алонзо Черч параллельно друг с другом представили формализацию алгоритмов с определением пределов того, что может быть вычислено, и «чисто механическую» модель для вычисления.
После 1920-х годов выражение вычислительная машина относят к любым машинам, которые выполняли работу человека-компьютера, особенно к разработанным в соответствии с эффективными методами тезиса Черча — Тьюринга. Этот тезис формулируется как: «Всякий алгоритм может быть задан в виде соответствующей машины Тьюринга или частично рекурсивного определения, а класс вычислимых функций совпадает с классом частично рекурсивных функций и с классом функций, вычислимых на машинах Тьюринга». По-другому, тезис Черча-Тьюринга определяется как гипотеза о природе механических устройств расчетов, таких как электронно-вычислительные машины. Любое возможное вычисление может быть выполнено на компьютере, при условии, что в нем достаточно места для хранения и времени.
Работающие над вычислениями с бесконечностями механизмы стали известны как аналоговый тип. Значения в таких механизмах представлялись непрерывными числовыми величинами, например, разность электрического потенциала или угол вращения вала.
В отличие от аналоговых, цифровые машины имели возможность хранить отдельно каждую цифру и представлять состояние числового значения. Цифровые машины использовали различные процессоры или реле до изобретения устройства с оперативной памятью [5].
3. Первые компьютеры
Машина Тьюринга
Название вычислительная машина с 1940-х начало вытесняться понятием компьютер. Компьютерами назывались машины, которые были в состоянии выполнять вычисления, раньше выполняемые клерками. Начиная с того, как значения перестали зависеть от физических характеристик, логический компьютер, который основан на цифровом оборудовании, был в состоянии сделать все, что может быть описано чисто механической системой.
В 1937 году Алан Тьюринг представил свою идею того, что сейчас называется машиной Тьюринга. Теоретическая машина Тьюринга стала гипотетическим устройством, теоретизированным для того, чтобы изучать свойства такого оборудования. Предвидя современные компьютеры, имеющие возможность хранить программы, он описал то, что стало известно, как Универсальная машина Тьюринга.
Машины Тьюринга были разработаны для формального математического определения, что может быть вычислено с учетом ограничений на вычислительную способность. Если машина Тьюринга может выполнить задачу, то задача считается вычислимой по Тьюрингу. Тьюринг в основном сосредоточился на проектировании машины, имеющей возможность определить, что может быть вычислено. Тьюринг сделал вывод, что, пока существует машина Тьюринга, имеющая возможность вычислять приближение числа, это значение исчислимо. Кроме того, машина Тьюринга может интерпретировать логические операторы, такие как «И», «Или», «Исключающее или», «Не», и «Если-То-Иначе», чтобы определить вычислимость функции.
На симпозиуме по крупномасштабной цифровой технике в Кембридже Тьюринг сказал: «Мы пытаемся построить машину, чтобы делать различные вещи просто путем программирования, а не путем добавления дополнительного оборудования» [5].