Файл: История развития средств вычислительной техники (Периоды истории вычислительной техники).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы курсовой работы. Широкое использование компьютеров привело к тому, что все больше людей стали осваивать азы компьютерных технологий, а программирование постепенно превратилось из рабочего инструмента специалиста в элемент культуры. В то же время история развития средств инструментального счета известна в гораздо меньшей степени. Всего за шестьдесят пять лет компьютеры превратились из диковинных электронных монстров в мощные, гибкие, удобные и доступные инструменты. Компьютеры стали символом прогресса. Поскольку человеку необходимо обрабатывать все больше и больше информации, средства ее обработки - компьютеры - будут совершенствоваться, и появятся новые языки программирования.

К сожалению, невозможно учесть все разнообразие и сложность мира компьютерных технологий, но краткий экскурс в историю показывает развитие компьютерных технологий от первых счетных устройств до компьютеров, в мире которых живет современное человечество.

Таким образом, изучение истории компьютерных технологий необходимо для формирования мировоззрения и воспитания патриотизма у студентов на примерах выдающихся разработок отечественных ученых и инженеров, сохранения культурного наследия. Современный специалист должен знать историю своей отрасли, место и роль вычислительной техники в истории развития цивилизации. Кроме того, он должен иметь представление об основных этапах развития компьютерных технологий и языков программирования.

Объект исследования – средства вычислительной техники, предмет – исторические периоды развития средств вычислительной техники.

Цель курсовой работы – анализ основных исторических периодов развития средств вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи следующего порядка:

- ознакомиться с домеханическим и механическим периодами развития вычислительной техники;

-ознакомиться с электромеханическим и электронным периодами развития вычислительной техники;

-исследовать вопрос становления современного периода развития вычислительной техники, средства вычислительной техники будущего;

-ознакомиться с компьютерами пятого поколения: молекулярные и ДНК-компьютеры;

-ознакомиться с биокомпьютерами (нейрокомпьютеры) и квантовыми компьютерами;

-сделать основные выводы и дать заключение по теме курсовой работы.

---

Методы, используемыми для написания курсовой работы, являются: метод структурно-функционального анализа, системного анализа на основе принципов объективности и научности. Использованы также общенаучные методы анализа, синтеза, индукции, дедукции, формализации и абстрагирования, сравнения и определения.

Структура работы состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

1 Периоды истории вычислительной техники

1.1 Домеханический и механический периоды развития вычислительной техники

Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать на протяжении многих веков, передавая и обогащая свой опыт из поколения в поколение. С древних времен человечество сталкивалось с проблемами, которые требовали все большего количества вычислений. Со временем большинство из них нашли решения. Еще в древности некоторые области математики были настолько развиты, что образованный человек тех лет по уровню знаний едва ли уступал нынешнему выпускнику школы. Возникновение земельной собственности потребовало определения способов расчета площади земельных участков, что привело к рождению геометрии. Достижения Евклида, Пифагора и других греческих ученых в этом направлении хорошо известны[2,с.34].

Развитие торговли также ставит новые задачи. Помимо учета товаров и денежных сумм, есть более сложные задачи. Купцам приходилось совершать все более длительные путешествия, а для этого требовались средства судоходства.

Эти проблемы решали и астрономы древности. В конце концов, все сводилось к расчетам, и чем они были точнее, тем успешнее решались реальные задачи. Также необходимо было осуществлять торговые операции, проводить межевание земель и управлять запасами сельскохозяйственных культур[2,с.57].

Вычислительная мощность большинства из нас очень ограничена. Даже сложить в уме стоимость нескольких небольших покупок и подсчитать сумму сдачи не так-то просто, а уж тем более о вычислении орбиты планеты или координат звезды и говорить не приходится[2,с.69].

---

Поэтому наряду с развитием теории ученые работали над проблемой автоматизации компьютеров. Но здесь, к сожалению, прогресс был гораздо медленнее. Для расчетов использовались всевозможные инструменты, которые имели разные возможности и назывались по-разному и здесь существует классификация следующего порядка[1,с.49]:

- примитивные средства;

- первые приспособления;

- первые устройства.

Самым древним вычислительным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение человека, была его собственная рука - великолепный естественный компьютер. Он имеет важные преимущества, которые современные инженеры стремятся дать разработанным счетным устройствам[1,с.47].

Преимущества счета на пальцах:

- простота и надежность;

- компактный размер;

- удобство «хранения и транспортировки», то, что всегда «под контролем»;

- работает в обычной системе счисления - десятичной.

У разных народов вместо камней использовались разные приспособления - кости, бобы, ракушки[1,с.52].

Названия цифр на многих языках указывают на то, что инструментом счета первобытного человека были в основном пальцы. Не случайно в древнерусской нумерации единицы называются «пальцами», десятки - «составами», а все остальные числа - «составами». Рука - пясть - является синонимом и фактической основой числительного «пять» во многих родах.

Настоящая потребность в автоматических расчетах возникла в средние века в связи с резким увеличением коммерческих операций и морских перевозок в этот период.

Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство требовало надежных навигационных таблиц.

С древних времен люди пытались понять окружающий мир и использовать свои знания, чтобы защитить себя от всевозможных бедствий. Мы заметили, например, что приливы связаны с различным положением Луны, и возник вопрос: «Можно ли построить математический закон изменения положения Луны и использовать его для предсказания приливов?»

Ученые составили огромные таблицы, в которых фиксировали изменения положения Луны, которые использовались для проверки правильности различных предложенных формул движения естественного спутника Земли. Такая проверка строилась на огромном количестве арифметических вычислений, которые требовали от исполнителя терпения и аккуратности.

Чтобы облегчить и ускорить такую ​​работу, были разработаны числовые устройства. Так появились различные механизмы - первые суммирующие и арифметические машины [7,с.85]

---

За почти 500 лет цифровые вычисления превратились в простейшие устройства для выполнения арифметических операций с числами.

Основой почти всех устройств, изобретенных за 5 веков, была шестеренка, предназначенная для фиксации 10 цифр десятичной системы счисления[7,с.63].

В. Шиккард разработал счетную машину для суммирования и умножения шестизначных десятичных чисел.

Причиной, побудившей В. Шикарда разработать такую ​​машину, было его знакомство с польским астрономом Иоганном Кеплером.

Работа великого астронома в основном была связана с расчетами. В. Шиккард решил помочь ему в его нелегком деле. В своих письмах к Иоганну Кеплеру в 1623 году Шикард описывает конструкцию суммирующей машины (рис. 1), которую он назвал «счетными часами» [7,с.82].

Рисунок 1 - Реконструкция машины Шиккарда [8,с.55]

Машина Шиккарда состояла из трех частей[8,с.57]:

− 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[8,с.60].

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[9,с.50].

Первую машину, которая могла считать сама, создал французский ученый Блез Паскаль (1623–1662). Он задумал ее еще в детстве. Его отец работал сборщиком налогов и все вечера занимался подсчетами. Сын видел, как отец уставал от этого занятия, и мечтал подарить отцу машину, которая бы облегчила его труд. В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал первый механический вычислитель, позволяющий складывать и вычитать числа[9,с.53].

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. Эта машина вошла в историю вычислительной техники под названием «Паскалина»

---

Рисунок 2 - Первый механический вычислитель «Паскалина» [9,с.55]

За время работы над устройством Паскаль сделал более 50 различных моделей своей машины, в которых он экспериментировал не только с материалами, но и с формой деталей машины. До наших дней сохранилось восемь его машин

1.2 Электромеханический и электронный периоды развития вычислительной техники

В истории компьютерных технологий этот период был наименее продолжительным - с 1888 по 1945 год. Напомним, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера. Были представлены цифры[11,с.44]:

- в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов;

- в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов.

В обоих случаях это были движения, которые существенно влияли на размер устройств и скорость их работы. Только переход от записи движения к записи сигнала позволил существенно уменьшить размер и увеличить скорость. Однако на пути к этому достижению необходимо было ввести еще несколько важных принципов и концепций. К ним относятся: двоичная система счисления и математическая логика Джорджа Буля.

Двоичная система счисления. Идеи Чарльза Бэббиджа относительно устройства полностью автоматизированной счетной машины и принципов ее работы были реализованы только в середине ХХ века в современных компьютерах[11,с.86].

Основным тормозом был механический принцип счета, который доминировал в технике счета более 300 лет, и десятичная система счисления. Очевидно, такая ситуация не могла длиться долго.

Достижения в области электроники и электротехники привели к созданию быстродействующих счетных элементов. Но с переходом на электрические схемы счета появился новый фактор - нестабильность десятипозиционных счетных элементов[11,с.75].

Если зубчатое колесо должно было быть абсолютно надежно закреплено в каждом из его 10 рабочих положений, то электрические элементы требовали фиксации десяти очень близких значений тока или напряжения в цепи. Это было непросто, потому что из-за случайных колебаний напряжения не всегда можно было различить эти значения.

Оказалось, что если уменьшить количество самих состояний, устойчивость каждого из них повышается. Одно состояние идеально - оно абсолютно стабильное, хотя абсолютная стабильность не имеет смысла, так как такой элемент не сможет ничего посчитать. Поэтому наиболее стабильным элементом для ведения счета является элемент с двумя рабочими состояниями - двухпозиционное устройство. Самая распространенная система счисления - десятичная, так как у нас на обеих руках по десять пальцев[1,с.84].

---