Файл: История развития средств вычислительной техники (Исторические и теоретические вопросы развития вычислительной техники от древних времён до настоящего времени).pdf

Введение

Первые шаги автоматизации ручных вычислений относятся именно к практической деятельности человека, который уже на ранних этапах зарождения цивилизации начал использовать различные подсобные средства для расчетов. С тех пор, хорошо зарекомендовавшие себя в древности средства вычислительной техники используются человеком и в настоящее время для автоматизации различного рода вычислений.

Электронно-вычислительные системы являются важной частью любого современного бизнеса или производства. Использование компьютера может заметно повысить эффективность управления каким-либо процессом или сферой деятельности, при этом не требуя существенных накладных расходов на его эксплуатацию. Практически все управленческие и технологические процессы в той или иной степени используют средства вычислительной техники. Сегодня персональные компьютеры устанавливают на каждом рабочем месте, в силу их незаменимости в процессах обработки, получения и хранения коммерческих, научных и мультимедийных данных.

В курсовой работе будет рассмотрена история развития средств вычислительной техники, которая поможет понять роль и значение ЭВМ в жизни современного общества.

Основные этапы развития средств вычислительной техники

Существует несколько этапов развития средств вычислительной техники, которыми люди пользуются и в настоящее время. Самым первым был ручной этап развития средств вычислительной техники.

Ручной период автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании различных частей тела, в первую очередь, пальцев рук и ног.

Счет на пальцах уходит корнями в глубокую древность, встречаясь в том или ином виде у всех народов и в наши дни. Известные средневековые математики рекомендовали в качестве вспомогательного средства именно пальцевый счет, допускающий довольно эффективные системы счета. Запоминание результатов счета производилась различными способами: нанесение пометок, зарубок, счетные палочки, узелки и другими методами. Например, у народов древней Америки был весьма развит счет на узелках. Более того, система узелков выполняла также роль своего рода хроник и летописей, имея достаточно сложную структуру. Однако, использование этой «узелковой» системы требовало хорошей памяти и навыков.

Счет с помощью группировки и комбинаций предметов был предшественником счета на абаке – наиболее развитом счетном приборе древности, сохранившимся до наших дней как всем известные счёты.

Абак явился первым развитым счетным прибором в истории человечества, основным отличием которого от предыдущих способов вычислений было поразрядное выполнение вычислений. Таким образом, использование абака изначально предполагало наличие некоторой позиционной системы счисления, например, десятичной, троичной и прочих. Многовековой путь совершенствования абака привел к созданию счетного прибора типовой классической формы, используемого вплоть до эпохи расцвета настольных микро-ЭВМ. И только появление электронных калькуляторов в 70-е годы ХХ века создало реальную возможность практического отказа от использования русских, китайских и японских счетов – трех классических типов конструкции абака, сохранившихся до наших дней.

Хорошо приспособленный к выполнению операций сложения и вычитания, абак оказался недостаточно удобным прибором для выполнения операций умножения и деления. Поэтому изобретение логарифмов и логарифмических таблиц Джоном Непером в начале XVII века было следующим крупным шагом в развитии вычислительных методов. Однако, в практической работе использование логарифмических таблиц имеет ряд неудобств, поэтому Джон Непер в качестве альтернативного метода предложил специальные счетные палочки (так называемые «палочки Непера»), позволявшие производить операции умножения и деления непосредственно над исходными числами. В основе этого метода Непер использовал способ умножения решеткой.

Наряду с палочками, Непер предложил счетную доску для выполнения операций умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения квадратного корня в двоичной системе, предвосхитив тем самым преимущества этой системы счисления для автоматизации вычислений.

Логарифмы послужили основой создания замечательного вычислительного инструмента – логарифмической линейки, которая используется около 400 лет инженерами и научными работниками.

С древнейших времен люди пытались понять окружающий мир и использовать свои знания для защиты от всевозможных бедствий. Было замечено, например, что приливы и отливы связаны с различными положениями Луны, и возник вопрос: «Возможно ли выяснить математический закон изменения положения Луны и, используя его, прогнозировать приливы?». Многие исследователи и ученые того времени составляли огромные таблицы, где фиксировали изменение лунных положений, которые использовались для проверки правильности различных предлагаемых формул движения естественного спутника Земли. Такая проверка опиралась на громадное число арифметических вычислений, требовавших от исполнителя терпения и аккуратности. Для облегчения и ускорения такой работы стали разрабатывать вычислительные устройства. Так появились различные механизмы – первые суммирующие машины и арифмометры.

В течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за это время устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на представление 10 цифр десятичной системы счисления.

Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания практически полезных вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений. Так начался механический этап развития средств вычислительной техники.

Первая механическая машина была описана в 1623 году Вильгельмом Шиккардом, она была реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения четырех арифметических операций над 6-разрядными числами. Причиной, побудившей В. Шиккарда разработать такую машину, было его знакомство с польским астрономом Иоганном Кеплером. Работа великого астронома в основном была связана с вычислениями. И Шиккард решил оказать ему помощь в нелегком труде. В своих письмах к Иоганну Кеплеру в 1623 г. Шиккард описывает проект суммирующей машины, которую он назвал «счетными часами».

Машина Шиккарда состояла из трех частей:

• суммирующего устройства (для выполнения сложения и вычитания);
• множительного устройства (для выполнения умножения);
• механизма для записи промежуточных результатов.

Множительное устройство занимает верхнюю часть машины, суммирующее – среднюю, для хранения чисел используется нижняя часть машины. Суммирующее устройство было шестиразрядным. В каждом разряде на оси была закреплена шестерня с десятью зубцами и колесо с одним зубом, пальцем. Палец служил для передачи десятка в следующий разряд и после полного оборота шестерни поворачивал шестерню следующего разряда на 1/10 оборота, что соответствовало сложению с единицей. Сложение осуществлялось последовательным вводом слагаемых, а вычитание – последовательным вводом уменьшаемого и вычитаемого. При вычитании шестерни вращались в другом направлении. В окошках считывания машины можно было прочитать результат, уменьшаемое и вычитаемое. Деление выполнялось путем многократного вычитания делителя из делимого. Для умножения использовались таблицы умножения, навернутые на шесть осей.

В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси (колеса). Таким образом, в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов.

В машине Блеза Паскаля использовалась более сложная схема переноса старших разрядов, в дальнейшем редко используемая, однако, построенная в 1642 году первая действующая модель машины, а затем опытная серия из 50 машин способствовали достаточно широкой известности изобретения и укреплению общественного мнения о принципиальной возможности автоматизации умственного труда.

Первый арифмометр, позволяющий производить все четыре арифметических операции, был создан Готфридом Лейбницем в результате многолетнего труда. Венцом этой работы стал арифмометр Лейбница, позволяющий использовать 8-разрядное множимое и 9-разрядный множитель с получением 16-разрядного произведения.

Особое место среди разработок механического этапа развития вычислительной техники занимают работы английского изобретателя Чарльза Бэббиджа, с полным основанием считающегося родоначальником и идеологом современной вычислительной техники.

Проект разностной вычислительной машины был разработан в 20-х годах XIX века и предназначался для табулирования полиномиальных функций методом конечных разностей. Основным побуждением в этой работе была настоятельная необходимость в табулировании различных функций и проверке существовавших тогда математических таблиц с многочисленными ошибками.

Второй, наиболее масштабный, проект Бэббиджа – универсальная аналитическая машина, использующая принцип программного управления и явившуюся прообразом современных ЭВМ. Данный проект был предложен в 30-е годы XIX века, а в 1843 году Адой Лавлейс для машины Бэббиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли.

Чарльз Бэббидж в своей машине использовал механизм, аналогичный механизму ткацкого станка Жаккарда, который использовал специальные управляющие перфокарты. По замыслу Бэббиджа управление должно осуществляться парой механизмов Жаккарда с набором перфокарт в каждом.

Бэббидж выдвинул удивительно современные идеи о вычислительных машинах, однако имевшиеся в его распоряжении технические средства того времени намного отставали от его представлений.

Электромеханический этап развития вычислительной техники явился наиболее плодотворным с практической точки зрения и охватывает период около 70 лет. Предпосылками создания электромеханических вычислительных машин явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование, и прочих), так и развитие прикладной электротехники (появление электродвигателя и электромагнитного реле), на основе которых можно было создавать электромеханические вычислительные устройства.

Классическим типом вычислительных средств электромеханического этапа был счетно- аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокартах.

Первый подобный счетно-аналитический комплекс был создан в США изобретателем и предпринимателем Германом Холлеритом в 1887 году и состоял из: ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Основным назначением комплекса являлась статистическая обработка данных, а также механизации бухучета и ряда экономических задач. В 1897 году Холлерит организовал небольшую фирму, которая в дальнейшем стала называться IBM.

Продолжая работы Г. Холлерита, в ряде стран разрабатывается и производится ряд моделей счетно-аналитических систем, из которых наиболее популярными и массовыми были машины фирм IBM, Ремингтон и Бюль.

Заключительный период (40-е годы XX века) электромеханического этапа развития вычислительной техники характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, универсального назначения и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме с производительностью около 5…20 операций в секунду, что было существенно быстрее работы электрических арифмометров полуавтоматической конструкции.

Немецкий инженер Конрад Цузе был пионером создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве. Однако его первая модель Z-1 в ряде моментов уступала конструкции машины Бэббиджа – например, там не было предусмотрено условной передачи управления. Позднее, были разработаны модели вычислительных машин Z-2 и Z-3. Машина Z-1 была закончена в 1938 г. и работала неустойчиво из-за ненадежной механической памяти.

Трудами Конрада Цузе заинтересовалось руководство Института аэродинамических исследований фашистской Германии. Институт стал финансировать работы над следующей моделью машины Z-2. В машине Z-2 механическое арифметическое устройство было заменено арифметическим устройством на электромагнитных телефонных реле. В этом К. Цузе помог австрийский инженер Г. Шрайер, его близкий друг.

Г. Шрейер когда-то работал киномехаником, поэтому он предложил сделать устройство ввода программы с помощью перфорированной киноленты. Результаты расчетов отображались с помощью электрических ламп. Релейный вариант машины Z-2 был построен и успешно заработал в апреле 1939 г.

В 1941 г. К. Цузе приступил к проектированию более мощной модели – машины Z-3. Ввод программы, представлявшей собой последовательность довольно мощных логических команд, по-прежнему происходил с перфорированной киноленты. Память Z-3позволяла хранить 64 слова (14 бит на мантиссу, 7 бит на экспоненту и 1 бит на знак) и состояла из 1400 реле. Для арифметического устройства потребовалось 600 реле, и еще 400 реле применялось в устройстве управления. Машина Z-3 выполняла не только четыре арифметические операции, но и вычисление квадратного корня, умножение на –1, 0,1, 0,5, 2 и 10. Z-3 выполняла 3…4 операции сложения в секунду и умножение чисел за 4…5 с.