Файл: История развития средств вычислительной техники (Ручной этап вычисления (с древних времен до н.э.)).pdf

Лейбниц задумал идею вычислительной машины в начале 1670-х годов с целью усовершенствования калькулятора Блеза Паскаля, Паскалина. Он сосредоточился на расширении механизма Паскаля, чтобы он мог умножать и делить. Первая зарегистрированная информация содержится в письме французского математика Пьера де Каркави (Carcavy) от 20 июня 1671 года, в котором машина Паскаля упоминается как «la machine du temps passé». 1 февраля 1673 года Лейбниц продемонстрировал деревянную модель своего калькулятора в Лондонском королевском обществе, хотя машина еще не могла выполнять умножение и деление автоматически. В письме от 26 марта 1673 года Иоганну Фридриху, где он упомянул презентацию в Лондоне, Лейбниц описал назначение «арифметической машины» как выполнение вычислений «leicht, geschwind, gewiß», то есть легкий, быстрый и надежный. Лейбниц также добавил, что теоретически рассчитанные числа могут быть настолько большими, насколько это необходимо, если размер машины скорректировать. 9 января 1675 года Лейбниц продемонстрировал усовершенствованную версию вычислительной машины в Королевской академии наук в Париже, а 4 октября 1676 года, когда он окончательно уехал из Парижа, взял еще одну улучшенную модель, чтобы показать Ольденбург в Лондоне.

После отъезда Лейбница работа над вычислительной машиной продолжалась под наблюдением его датского друга Фридриха Адольфа Хансена (1652-1711), и Лейбниц продолжал переписываться с Оливье. Лейбницкий архив включает три письма Оливье от 24 марта и 29 июля 1677 года и 15 ноября 1678 года; действительно, Лейбниц, похоже, приложил некоторые усилия, чтобы Оливье позвонил в Ганновер, чтобы продолжить свою работу. Примерно после 1678 года работа над машиной, похоже, прекратилась, пока Лейбниц не начал разрабатывать новый прототип в начале 1690-х годов. В какой-то момент деревянная модель Лейбница и его первая металлическая машина были потеряны. Вторая машина, которая была построена с 1690 по 1720 год, сохранилась в Niedersächsische Landesbibliothek, Ганновер.

2.5. Разностная машина Чарльза Бэббиджа

Разностная машина - это калькулятор. Он создает числовые таблицы, используя математическую технику, известную как метод разности. Сегодня такие таблицы - часто используемые в навигации и астрономии - будут рассчитываться и храниться в электронном виде. Почти полтора столетия назад «Разностная машина» выполняла почти ту же работу, но медленно и механически.

Два шведа, Георг Шойц и его сын Эдвард, построили машину Смитсоновского института в 1853 году. Каждый из его длинных валов содержит диски, и каждый диск имеет колеса с десятью зубцами, которые соответствуют меткам на дисках. Ученый мог бы установить диски с известными цифрами, нечетными или четными, повернуть рукоятку и, считав на каждом валу, найти результат расчета. Эта «машина» может также распечатать свои ответы. Проданный обсерватории в Олбани, штат Нью-Йорк, он был передан Смитсоновскому институту в 1963 году.

Шойцы не интересовались приятным дизайном. Их устройство работало хорошо, поскольку они до практического завершения следовали концепциям одного из самых блестящих умов 19-го века. Изобретатель и философ, Бэббидж создал прототип оригинального двигателя различий еще в 1822 году, затем продолжал добавлять уточнения, даже не доработав его. Он с энтузиазмом одобрил работу своих друзей Георга и Эдварда Шойца. В течение многих лет они дорабатывали свою машину, мысли изобретателя нащупывали механическое устройство, которое выходило бы далеко за рамки расчетов. На самом деле он будет хранить данные, которые он произвел, а затем повторно использовать информацию, чтобы добавить больше. Бэббидж назвал этот процесс «двигателем, питающимся собственным хвостом».

То, что он предвидел, было примитивным компьютером..

Глава 3. Электро-механический этап вычисления

3.1. Механическое вычислительное устройство Z1, Z2, Z3, Z4

Создание первого действительно работающего компьютера (1941) и первого языка программирования высокого уровня (1945) – принадлежит немецкому инженер-строителю Цузе (Konrad Zuse).

Первая разработка появилась в 1938 году с названием Z1. Это был двоичный механический вычислитель с электрическим приводом и ограниченной возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений в десятичной системе отображался на ламповой панели. Построенный на собственные средства и деньги друзей и смонтированный на столе в гостиной родительского дома, Z1 работал ненадёжно из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Впрочем, будучи экспериментальной моделью, ни для каких практических целей он не использовался.

Вторая мировая война сделала невозможным общение Цузе с другими энтузиастами создания вычислительной техники в Великобритании и Соединённых Штатах Америки. В 1939 году Цузе был призван на военную службу, однако сумел убедить армейских начальников в необходимости дать ему возможность продолжить свои разработки. В 1940 году он получил поддержку Исследовательского института аэродинамики, который использовал его работу для создания управляемых ракет. Благодаря ей Цузе построил доработанную версию вычислителя — Z2 на основе телефонных реле. В отличие от Z1, новая машина считывала инструкции перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки. Она тоже была демонстрационной моделью и не использовалась для практических целей.

Удовлетворённый функциональностью Z2, в 1941 году Цузе создал уже более совершенную модель — Z3, которую сегодня многие считают первым реально действовавшим программируемым компьютером. Впрочем, программируемость этого двоичного вычислителя, собранного, как и предыдущая модель, на основе телефонных реле, также была ограниченной. Несмотря на то, что порядок вычислений теперь можно было определять заранее, условные переходы и циклы отсутствовали. Тем не менее, Z3 первым среди вычислительных машин Цузе получил практическое применение и использовался для проектирования крыла самолёта.

В Германии Конрад Цузе начал строительство Z4 в 1943 году при финансовой поддержке Министерства авиации. Как и его Z3, Z4 использовал электромеханические реле, отчасти из-за трудностей с приобретением примерно 2000 необходимых вакуумных трубок в военной Германии. Z4 был эвакуирован из Берлина в начале 1945 года, и в конечном итоге он оказался в Хинтерштейне, небольшой деревне в Баварских Альпах, где он оставался до тех пор, пока Цузе не доставил его в Федеральный технический институт в Цюрихе, Швейцария, для ремонта в 1950 году.

Чтобы продолжить разработку аппаратного обеспечения, Цузе сделал ряд достижений в разработке программного обеспечения. Цузе использовал представления чисел с плавающей точкой - значащие цифры, известные как мантисса, хранятся отдельно от указателя на десятичную точку, известную как экспонента, что позволяет обрабатывать очень большой диапазон чисел – это намного опережало время. Кроме того, Цузе разработал богатый набор инструкций, правильно обрабатывал бесконечные значения и включил в себя «no-op», то есть инструкцию, которая ничего не делала. Только значительный опыт программирования может показать необходимость чего-то столь бесполезного. Программа Z4 была перфорирована на использованном фильме и была отделена от механической памяти для данных (другими словами, не было сохраненной программы). Машина была относительно надежной (обычно она работала всю ночь без присмотра), но не имела способности принимать решения. Сложение заняло 0,5-1,25 секунды, умножение 3,5 секунды

3.2. ABC — первое цифровое вычислительное устройство

Компьютер Атасова Берри, позже названный ABC, был построен в Университете штата Айова в 1939-1942 годах профессором физики доктором Джоном Винсентом Атанасоффом и его аспирантом Клиффордом Берри. Атанасов был профессором математики и физики, а 1920-е и 30-е годы были временем активных открытий и новых теорий для научных дисциплин, особенно для физики. Работа доктора философии Атанасова «Диэлектрическая проницаемость гелия» была исследованием теоретической физики, опубликованная в «Физическом обзоре». Том 36 (7) в 1930 году. Работа Атанасова потребовала большого количества математических вычислений, которые он выполнял на калькуляторе Монро, в то время это передовая вычислительная машина, но которой все еще требовало часы и часы вычислений. Позже, будучи профессором в государственном колледже штата Айова, Атанасофф стремился повысить скорость и точность научных расчетов путем разработки электронного цифрового компьютера. Это усилие привело к ABC.

Первоначальная мысль Атанасофа состояла в том, чтобы улучшить существующие вычислительные машины, особенно табулятор IBM. Он и А.Е. Брандт, профессор статистики в государственном колледже штата Айова, внесли изменения в табулятор IBM, чтобы он мог решать проблемы при анализе сложных спектров. Эта работа была опубликована в журнале «Оптическое общество Америки» в 1936 году. В то время работа авторов не была высоко оценена IBM, чьи корпоративные чиновники видели, что их машина использовалась в целях, для которых она не предназначена.

Его следующая попытка заключалась в создании аналогового калькулятора под названием «лаплациометр». Лаплациометр Atanasoff-Hannum-Murphy, небольшая аналоговая капиллярная машина, имела успех с точки зрения точных расчетов; но Atanasoff все еще не был удовлетворен своей надежностью, поскольку его компоненты должны были быть в идеальном рабочем механическом состоянии, чтобы гарантировать точность. Как инженер-электрик, математик и физик, мысли Атанасова обратились к использованию электроники в качестве возможного решения проблем точности и скорости при выполнении научных расчетов. Существующие учебники и исследования оказались бесполезными, и его разочарование усилилось, когда он почувствовал, что все ближе и ближе к главному открытию, но все же почему-то не смог собрать все свои идеи воедино. Зимой 1937 года Атанасов совершил свою печально известную поездку через границу Айовы, к маленькому дому в Иллинойсе, где он остановился, чтобы выпить, и наконец смог расслабиться и позволить идеям течь.

Четыре идеи, которые пришли вместе, были:

Он будет использовать электричество и электронику в качестве носителя для компьютера.

Несмотря на обычай, он использует два числа основания для своего компьютера.

Он будет использовать конденсаторы для памяти и будет использовать регенеративный или «беговой» процесс, чтобы избежать провалов, которые могут быть вызваны утечкой энергии.

Он будет вычислять путем прямого логического действия, а не путем подсчета, как это используется в существующих аналоговых расчетных устройствах.

Следующий год он проводил, планируя свой компьютер, и в марте 1939 года подал в колледж официальное заявление на финансирование ассистента выпускника и материалов. Колледж штата Айова утвердил грант в размере 650 долларов. Атанасов нанял Клиффорда Берри, и они начали создавать прототип первого в мире электронного цифрового компьютера. В декабре 1939 года Атанасов и Берри продемонстрировали эту машину должностным лицам колледжа и получили дополнительное финансирование для создания полномасштабной машины, которая получила название ABC.

К концу весны 1940 года машина уже была готова к завершению, и они представили рукопись, описывающую детали компьютера, для получения патента (который никогда не будет подан в Государственный колледж штата Айова), так и для подачи заявки на дополнительное финансирование для уточнения и совершенствования конструктивных и эксплуатационных особенностей. Поскольку сборка машины продолжалась, Клиффорд Берри написал руководство для ABC. Летом 1941 года Джон Мочли посетил Атанасова в Эймсе, чтобы увидеть азбуку.

Глава 4. Электронный этап вычисления

4.1. I поколение

Первое поколение компьютеров разрабатывалось в период с 1945 по 1956 год. Компьютер ENAIC был предназначен для решения широкого класса численных проблем путем перепрограммирования в 19 - м веке.

В этом поколении в основном использовалась операционная система пакетной обработки. Перфокарты, бумажная лента и магнитная лента использовались в качестве устройства ввода и вывода. Компьютеры этого поколения использовали машинный код в качестве языка программирования. Ранним компьютерам первого поколения давались инструкции, закодированные на машинном языке, то есть код, который обозначает электрические состояния в компьютере как комбинации нулей и единиц. Подготовка программы или инструкций была чрезвычайно утомительной, и ошибки были распространены. Джон Маучли, американский физик, и Дж. Преспер Экерт, американский инженер, изобрели и сделали электронный цифровой компьютер в Школе инженерии Мура в Университете Пенсильвании в Филадельфии.